劉志文,張曉明,馬喜宏

(中北大學(xué)電子測試國家重點實驗室,太原 030051)

基于地磁場信號采集電路的Σ-Δ型ADC設(shè)計*

劉志文,張曉明*,馬喜宏

(中北大學(xué)電子測試國家重點實驗室,太原 030051)

為了滿足大動態(tài)范圍、高精度、低噪聲地磁數(shù)據(jù)采集的發(fā)展需求,采用一種24位Σ-Δ型ADC7192用于三路數(shù)據(jù)采集的方法。該方法通過使用可編程增益陣列調(diào)理交流放大部分減小了整體電路規(guī)模和功耗。針對野外等特殊應(yīng)用場所引入二次數(shù)字(模擬)電源、自校準(zhǔn)、滿量程校準(zhǔn)和ADC內(nèi)部濾波器,降低其噪聲的同時又抑制了50 Hz工頻干擾。后期硬件測試對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析,功耗為4.35 mA、測量精度可達(dá)70μG的技術(shù)指標(biāo)。

數(shù)據(jù)采集;Σ-Δ型ADC;模數(shù)轉(zhuǎn)換;高精度;低噪聲;低功耗

地磁場是地球的基本資源之一,在航空航天、交通通訊、國防建設(shè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。隨著科技的飛速發(fā)展,磁傳感器技術(shù)日趨完善,量程和精度都能滿足科學(xué)研究的要求,但是磁場采集系統(tǒng)容易受測量背景以及測量環(huán)境的影響,尤其是高動態(tài)范圍、高精度、低成本的地磁采集系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)采集的發(fā)展方向。現(xiàn)有的采集方案大多存在精度不高、噪聲大、電路規(guī)模大等問題。本采集電路在眾多模數(shù)轉(zhuǎn)換器類型中選用Σ-Δ型ADC7192,內(nèi)置濾波器可消除不同工作環(huán)境溫度變化和電源電壓變化的情況下產(chǎn)生的任何偏移誤差,同時也能去除一些低頻的噪聲?？删幊淘鲆骊嚵刑娲苏{(diào)理電路中的交流放大部分減小電路規(guī)模的同時減少成本[1]。

1 主要器件選擇

本文選用ADI公司的AD7192作為系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,其內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)、數(shù)字濾波器、時鐘振蕩電路。片內(nèi)低噪聲增益級,即直接輸入小信號,減少了對弱信號放大的電路設(shè)計。AD7192芯片具有獨立的模擬電源與數(shù)字電源[2]。一個5 V的低噪聲穩(wěn)壓器用來確保系統(tǒng)獲得低噪聲模擬電源。此外,在穩(wěn)壓器輸出端配有降噪電容。單片機(jī)MCU芯片的主要功能是實現(xiàn)對ADC的各項性能控制,最后將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)使用DMA的方式通過串行接口進(jìn)行輸出。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計主要分為硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分。其中ADC硬件設(shè)計主要包括模擬電路部分和ADC的電源與接地組成部分;軟件設(shè)計包括對ADC控制設(shè)計、單片機(jī)控制與數(shù)據(jù)串口傳輸設(shè)計[4]。

模擬電路部分包括信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。信號調(diào)理電路位于被測信號和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間,被測信號通過差分放大和低通濾波與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連。模擬電路每次上電后通過可編程控制對模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行外部滿量程校準(zhǔn)和外部零位校準(zhǔn),通過向?qū)?yīng)寄存器寫入校準(zhǔn)字,芯片可以自動完成校準(zhǔn),來消除由于噪聲引起的失調(diào)誤差和增益誤差。

為了提高數(shù)據(jù)采集的高精度要求ADC7192提供4種校準(zhǔn)模式:內(nèi)部零電平校準(zhǔn)、內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)、系統(tǒng)零電平校準(zhǔn)和系統(tǒng)滿量程校準(zhǔn)。失調(diào)誤差典型值為150μV/增益,當(dāng)改變增益時執(zhí)行校準(zhǔn)。零電平可將失調(diào)誤差降至與噪聲相當(dāng),校準(zhǔn)之后,5V時的增益誤差典型值為0.001%。

AD7192以偽差分模式采集外部的模擬信號。偽差分輸入減小了信號源與設(shè)備的參考地電位(地環(huán)流)不同所造成的影響,提高了測量的精度[5]。AD7192與STM32之間通過SPI串行通信,從而保證系統(tǒng)能夠高速工作。其中本采集系統(tǒng)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢對比如圖1所示。

圖1 ADC功能結(jié)構(gòu)圖

通過對比可知本采集系統(tǒng)可將傳統(tǒng)采集系統(tǒng)的增益放大、工頻抑制和噪聲抑制都集成到Σ-Δ型ADC中,減少了系統(tǒng)的整體電路規(guī)模、功耗和成本,同時又保持了低噪聲、高精度、大動態(tài)范圍的性能特點。

3 高精度多路采集系統(tǒng)的分析

3.1 ADC標(biāo)定

由于每個高精度ADC的制造工藝略有差異,當(dāng)數(shù)據(jù)解碼采用官方公式時會產(chǎn)生一定的誤差,所以本設(shè)計采用重新標(biāo)定的方式對ADC模擬量進(jìn)行解算。具體通道的標(biāo)定方法為利用平均值與電壓值一一對應(yīng)的關(guān)系對它們進(jìn)行二次擬合,可得線性方程如下:

f(x)=p1x+p2

(1)

式中:p1=1.72×106,p2=8.33×106

對應(yīng)關(guān)系圖如圖2所示。

圖2

根據(jù)最小二乘法擬合出的線性方程,對輸出進(jìn)行解碼,同時對比實際均方根噪聲與官方均方根噪聲[7]。數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)對比

圖3為輸出數(shù)據(jù)時的噪聲分布,這相當(dāng)于22.5位有效分辨率或20位無噪聲分辨率。

圖3 噪聲分布直方圖

通過對ADC進(jìn)行重新標(biāo)定提高了采集系統(tǒng)精度,均方根噪聲低于官方數(shù)據(jù)16.5 μV。且經(jīng)過系統(tǒng)校準(zhǔn)后,失調(diào)誤差與選定的編程增益和輸出數(shù)據(jù)速率所對應(yīng)的噪聲相當(dāng)[8]。由此可得此系統(tǒng)可實現(xiàn)低噪聲、多通道、高精度數(shù)據(jù)采集。

3.2 50 Hz工頻干擾抑制

地磁場采集時是以高分辨率ADC測量大動態(tài)范圍電平信號,如果測量裝置工作在電源變壓器或輸電線路附近交流電干擾會帶來嚴(yán)重問題,同時來自無屏蔽電纜或電氣設(shè)備的輻射,該頻率也會對電信號產(chǎn)生干擾,許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要抑制其干擾。為避免使用低通模擬濾波器造成的高階模擬濾波器從組件數(shù)量和電路板空間成本增加,截止頻率容易發(fā)生漂移的問題,

本文中使用數(shù)字濾波器,這種濾波器可針對線路頻率下的抑制進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)備無需重新配置便可進(jìn)行廣泛使用[9]。正確配置后該內(nèi)置濾波器可以有效抑制電力線路頻率,同時仍保留足夠帶寬測量輸入信號。SINC3濾波器的頻率響應(yīng)為:

ADC輸出數(shù)據(jù)速率為:

fS=fCLK/(3×1 024×FS[9:0])

SINC3濾波器的建立時間更短,因此是用于低噪聲調(diào)制器時是追求轉(zhuǎn)換速度的絕佳選擇,圖4中顯示的是SF=96(十進(jìn)制)的頻率響應(yīng)曲線圖,改變模式寄存器中REJ60為0,頻率響應(yīng)如圖4所示。

圖4 頻率響應(yīng)圖

實際開發(fā)驗證中輸入信號收到工頻干擾表現(xiàn)為50 Hz、100 Hz和150 Hz,即干擾幅度值較大為50 Hz和其倍頻時產(chǎn)生,此時SINC3濾波器就能讓某個梳齒對準(zhǔn)50 Hz、100 Hz和150 Hz,抑制性能達(dá)到100 dB以上,從而提高了采集系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.3 PGA增益級

AD7192中的緩沖器使能時,輸入通道會驅(qū)動緩沖放大器的高阻抗輸入級,此模式的絕對輸入電壓范圍限制在AVDD +250 mV至AVDD -250 mV。增益級使能后,緩沖器輸出將施加于PGA輸入端。為了充分利用此ADC的大動態(tài)范圍,系統(tǒng)按表2所示對信號進(jìn)行自動放大。

PGA的存在意味著小幅度的地磁場信號可以自動在AD7192內(nèi)被放大,同時此ADC可使能CHOP模式用來去除ADC的偏移誤差,包括在溫度變化情況下和電源電壓變化的情況下產(chǎn)生的任何偏移誤差,同時也能去除一些低頻的噪聲[10]。

通過對信號的自動放大,此系統(tǒng)的大動態(tài)范圍可滿足三維地磁場采集的發(fā)展需求。

表2 增益配置

4 實驗數(shù)據(jù)驗證

由于線性磁阻傳感器的靈敏度高、適應(yīng)頻率和動態(tài)范圍高,所以本地磁采集系統(tǒng)采用三維磁阻混合電路模塊HMC2003,該芯片內(nèi)部集成靈敏度溫度補(bǔ)償,具有良好的溫度穩(wěn)定性和電磁兼容性,適用于多種測試環(huán)境。其整個系統(tǒng)實物如圖5所示,并給出了電路原理圖。

圖5

4.1 系統(tǒng)噪聲驗證

將系統(tǒng)置于磁屏蔽筒中,無矩線圈不施加電路,其筒內(nèi)近似認(rèn)為是“零磁場”空間,此時測得磁阻傳感器的偏置電流對應(yīng)的磁場。使用采集系統(tǒng)對磁傳感器三軸輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行求標(biāo)準(zhǔn)差的手段獲得噪聲的平均水平。對應(yīng)三軸零磁場數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6中給出采集系統(tǒng)在零磁場的情況下測得的磁阻傳感器輸出,其為將三軸的直流分量補(bǔ)償后磁阻傳感器的噪聲情況,噪聲值都小于5 nT,優(yōu)于常規(guī)的采集系統(tǒng),達(dá)到了低噪聲的設(shè)計要求。

圖6 三軸噪聲

4.2 非線性度驗證

圖7 采集系統(tǒng)輸出

給采集系統(tǒng)加載0 V～5 V的電壓值,對應(yīng)的磁場值為-2 Gauss～2 Gauss,計數(shù)7個點,間隔一定的電壓值,實時記錄X軸向磁阻傳感器輸出,將在MATLAB中數(shù)據(jù)按最小二乘法直線擬合,得到擬合方程y=kx+b,某一點x值代入曲線得到y(tǒng)1值,則交叉擬合為N=|y-y1|max,在前面計算所得量程yF,則非線性誤差ξL=(N/yF)×100%計算可以對比出非線性度[11]。對應(yīng)電壓梯度時的數(shù)據(jù)采集與對應(yīng)線性擬合如圖7所示。

N為最小二乘法擬合殘差,三軸分別對應(yīng)為10.340 mV、7.335 mV、3.745 mV由此可得三軸非線性誤差分別為0.21%、0.15%、0.074%優(yōu)于常規(guī)采集系統(tǒng)的非線性度。

4.3 地磁場采集驗證

為驗證ADC采集地磁場時的性能,對應(yīng)采集當(dāng)?shù)仂o止地磁場三分量值。圖8為HMC2003磁傳感器經(jīng)過消噪后的三軸輸出。

地磁采集系統(tǒng)應(yīng)用于不同環(huán)境可能出現(xiàn)大翻轉(zhuǎn)的情況,因此有必要將采集系統(tǒng)置于轉(zhuǎn)臺以一定角速度旋轉(zhuǎn)的情況下,測量系統(tǒng)輸出的動態(tài)性能。圖9為旋轉(zhuǎn)時系統(tǒng)輸出。

圖8 靜采時三軸輸出

圖9 旋轉(zhuǎn)時三軸輸出

由圖9可得旋轉(zhuǎn)時X、Y軸的磁場輸出值呈三角函數(shù)變化,與理論值相符。由此可得采集系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

5 結(jié)論

本文是對大動態(tài)范圍、高精度、低噪聲地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度、多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究,介紹了系統(tǒng)的主要功能需求以及系統(tǒng)相應(yīng)芯片的選擇與特點,給出了硬件中采集、通信、傳輸以及必要的外圍電路,并對其硬件功能進(jìn)行了分析與測試,能夠達(dá)到高精度、多通道、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集,同時通過可編程控制對其增益、輸出速率、內(nèi)部濾波器等參數(shù)進(jìn)行實時配置,為降低功耗該系統(tǒng)均采用掉電工作模式,在不需要數(shù)據(jù)采集時處于睡眠模式,中斷喚醒后進(jìn)入全速工作模式,功耗僅為4.35 mA,測量精度可達(dá)70μG達(dá)到設(shè)計要求。本設(shè)計為不同應(yīng)用場所下地磁場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供一定的借鑒。

[1] 宋華軍,朱明,沈美麗. 高精度數(shù)據(jù)采集儀的實現(xiàn)與研究[J]. 電子器件,2007,30(1):93-96.

[2] ADI.AD7192DataSheet[EB/OL]. [2016-05-01]. http//www.AnalogDeviceslnc.com.

[3] 李多,葉樺. 基于STM32與FPC1011F的嵌入式指紋采集存儲儀設(shè)計[J]. 電子器件,2015(2):362-367.

[4] 王靜宜.多通道大容量高速數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計[D]. 中北大學(xué),2014,4(5):124-128.

[5] 朱欣華,夏云翔,萬德鈞. 分布式捷聯(lián)姿態(tài)基準(zhǔn)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2006,19(3):741-745.

[6] 郭熙寶,曹大平. 24位高精度磁傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2014,35(5):56-60.

[7] 鄭永秋,史赟,李圣昆.多通道高精度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計與實踐[J]. 電測與儀表,2011,48(9):86-89.

[8] BAKER B. ∑-Δ ADC工作原理[EB/OL]. [2016-05-01]. http//wenku.baidu.com/view/644870ccalc7aa00b52acb3f.html.

[9] 杜兵團(tuán),李斌.基于AD7738的高精度、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計研究[J]. 電聲技術(shù),2007,31(7):128-132.

[10] 馬忠梅,籍順心,張凱.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999:74-120.

[11] OTT H W.電子系統(tǒng)中噪聲的抑制與衰減技術(shù)[M]. 王培清,李迪譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004:126-138.

FortheMagneticSignalAcquisitionCircuitofaSigma-DeltaADCDesign*

LIUZhiwen,ZHANGXiaoming*,MAXihong

(National Key laboratory for Electronic Measure Technology,Taiyuan 030051,China)

In order to meet the development requirements of large dynamic range,high precision and low noise data acquisition,a 24-bit sigma-delta ADC7192 is used for three-way data acquisition. The method by using the programmable gain array regulate AC amplifying section reduces the overall size and power consumption. For special applications like wild places introduced second digital analog power,self-calibration,full-scale calibration and ADC internal filter,its noise was reduced and the 50 Hz frequency interference was suppressed. The latter part of the hardware test on the collected data was analyzed and the power consumption obtained is 4.35 mA,measurement precision can reach 70 μG for the technical indicators.

data collection;sigma-delta ADC;analog to digital conversion;high precision;low noise;low power consumption

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.018

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(51375463)

2016-08-23修改日期2016-10-20

TP274

A

1005-9490(2017)05-1140-05

劉志文(1988-),男,碩士研究生,山西,主要研究方向為硬件電路設(shè)計,282838495@qq.com;

張曉明(1976-),男,副教授,山西,主要研究方向為動態(tài)測試及組合導(dǎo)航,zxm_auto@nuc.edu.cn。