ADS1255及其在數字地震檢波器中的應用

王小波 趙兆 梁春苗

(煤炭科學研究總院西安研究院 陜西西安 710054)

1 引言

在地震檢波器的設計中,研發人員對于模數轉換的精度要求越來越高,為了能獲得高分辨率的振動信號,要求信號采集系統動態范圍大,這對檢波器的數據采集系統提出了很高的要求。積分型、逐次逼近型和直接比較型A/D轉換器很難達到高動態范圍。傳統的Nyquist率A/D轉換器很難實現16位以上分辨率,在新一代地震檢波器中多采用高分辨率的24位∑△A/D轉換器。

∑△型A/D轉換器是高性能新型結構的A/D轉換器。不同于傳統A/D轉換器,它不是直接根據采樣數據對每一個采樣值的大小進行量化編碼,而是以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速度將模擬信號數字化,通過使用過采樣、反饋和數字濾波等技術方法增加有效分辨率,然后對A/D轉換器輸出進行采樣抽取處理以降低有效采樣速率,實現A/D轉換。A/D的選用一般有兩種方案;套片方案的特點:(1)套片的設計方案簡單,但外圍電路復雜;(2)成本高,有上千元的差價;(3)生產周期長一些,因為該方案中涉及到的很多芯片供貨周期大多4～7周。本設計方案綜合考慮各種因素,選用ADS1255轉換器。

2 ADS1255概述

ADS1255是德州儀器(TI)推出的是一款高性能的模數轉換器,也是德州儀器公司重點推薦的地震勘探專用 A/D轉換器,是由模擬多路開關(MUX)、輸入緩沖器(BU F),可編程增益放大器(PGA)、四階∑△調制器再加一個可編程數字濾波器組成。適用于包括科學儀器、測試與測量、地震探測、工業過程控制、醫療設備等要求苛刻的工業應用領域。

ADS1255分別采用SSOP-20封裝,主要特點如下:

(1)24位無數據丟失;

(2)低非線性度:士0.0010%;

(3)高達23位的無噪聲分辨率;

(4)數據輸出率最大30kSPS;

(5)可配置為2路單極輸入或1路差動輸入;

(6)模擬多路開關具有傳感器檢測功能;

(7)輸入緩沖器;

(8)具有低噪聲可編程增益放大器,PGA=1時,可提供高到25.3位有效分辨率;PGA=64時,可提供高達22.5位有效分辨率,并且所有的 PGA具有自校準和系統校準;

(9)帶有串行外設接口(SPI);

(10)可編程數字濾波器;

(11)模擬電壓輸入5V,數字電壓輸入1.8～3.6V;

(12)正常模式電源消耗38mW,備用模式電源消耗0.4mW。

2.1 ADS1255的結構原理及寄存器功能

主要由模擬多路開關和傳感器檢測、輸入緩沖器、可編程增益放大器、四階∑△調制器、可編程數字濾波器、時鐘發生器、控制器和串行SPI接口、通用數字I/O等組成。由于ADS1255提供3路模擬輸入端,模擬多路開關寄存器可將其配置為1路差動輸入或者2路單極輸入。默認情況下,ADS1255為差動輸入,通道0為正差動輸入通道(A IN 0),通道1為負差動輸入端(A IN 1),作單極測量時,一般用 A IN0,A IN 1作為單極輸入端;A INCOM作為公共端輸入,ADS1255的內部結構如圖1所示。

圖1 ADS1255內部結構圖

ADS1255具有檢測連接至輸入端外部傳感器的完整性的電路,傳感器檢測電路簡化,當開啟傳感器檢測功能時,ADS1255自動開啟輸入緩沖器,SDCS通過MUX提供傳感器一個約0.5uA、2uA、10uA的電流ISDC,得知(A IN0-A IN1)=ISDC(2RMUX+RRES),當傳感器短路時(即RRES=0),仍有很小的信號(即 ISCDx2RMUX)被 ADS1255檢測到,此時ADS1255有一很微小的轉換結果輸出;當傳感器斷路時,ADS1255轉換結果異常。此方法可以檢測出傳感器的工作狀態,正常工作時關閉傳感器檢測功能,傳感器檢測電路見圖2。

圖2 傳感器檢測電路圖

ADS1255內部的調制器是一個四階∑△系統,通過內部電容不斷的充放電來測量輸入信號。四階∑△調制器的輸出經可編程低通濾波器后變成高精度的數字輸出。通過調整濾波次數,用戶能夠在精度和數據速率之間形成最佳組合。濾波次數越多,精度越高;濾波次數越少,速度越快。

ADS1255采用四線制(時鐘信號線 SCL K、數據輸入線D IN、數據輸出線DOU T和片選線CS)SPI通訊方式,SPI通訊時序關系見圖3。在此模式下,可以通過各種主控制器來控制ADS1255片上的寄存器。串口通訊時必須保持CS為低電平。在SPI傳送過程中,數據被同步地發送和接收,SCL K、D IN和DOU T同步移動,SCL K信號要保持干凈以免發生數據丟失。D IN結合 SCL K用來向ADS1255發送數據,在 SCL K的下降沿有效;DOU T結合SCL K用來從ADS1255讀取數據,在SCL K的上升沿有效。D IN和DOU T也可以通過一條雙向信號線與主控制器相連,這種情況下一定不能用 RDA TAC命令來讀取數據,在空閑時,DOU T處于高阻態。

ADS1255有2個通用數字 I/O口D0、D1,所有的I/O口都可以通過 IO寄存器設置為輸入或輸出,D0腳還可以設置為一個時鐘發生器供別的設備使用,如微控制器等。此時鐘可以通過AD轉換器寄存器的CL K0和CL K1位設置成以或 工作。未用的IO引腳可以設置為輸入接地也可以設置為輸出,有利于減小電源的消耗。

ADS1255的主時鐘可以由一個外部晶振或時鐘發生器提供。如果主時鐘由一個外部晶振產生,在PCB布線時,晶振應該盡量地靠近ADS1255,同時保證能夠起振,得到一個穩定頻率,起振所用的電容一般用陶瓷電容,選擇晶振頻率為7.68M。

2.2 ADS1255的主要寄存器功能

圖3 SPI通訊時序圖

ADS1255工作過程的建立主要通過對11個獨立寄存器的設置來完成,這些寄存器包括所有需要設置的信息,例如采樣速度、模擬多路開關、PGA設置、I/O選擇、自校準等。主要寄存器狀態如表1示,即:狀態寄存器 Status、模擬多路開關寄存器MUX,AD控制寄存器AD轉換器ON和數據速度寄存器DRA TE。

ADS1255是精度極高的A/D轉換器,為了得到最佳的轉換結果,在應用期間要特別注意該器件的外圍電路和印刷電路板設計。如果ADS1255采用不同的地網絡,應避免模擬地(AGND)和數字地(DGND)之間有電壓存在。不用D0,D1時可以把其當作輸入接地。如果不用RESET和SYNC/PDWN引腳,可以使其直接接數字電壓輸入端(DVDD)。

表1 ADS1255主要寄存器狀態表

3 A/D轉換器設計

3.1 A/D轉換器的電路設計(圖4)

基準電壓源采用AMS1117-3.3供電,在電壓的輸出端接濾波電容。信號由三分加速度計經過一階低通濾波器傳給三個ADS1255,D0、D1/A INCOM分別接地,以便于減小電源的消耗,片內集成了PGA(1～64)支持小信號的直接接入。ADS1255在設計時(44),在模擬電源和數字電源的輸入端并聯一個陶瓷電容,電容要靠近輸入端。在設計中,采用獨立的REF3225為VREFN和VREFP提供參考電源,該電源具有極低的噪聲和溫漂,不會影響ADS1255的性能。在接地方式采用模擬電源和數字電源共地。

圖4 數模轉換器電路圖

圖5 Z分量的電路設計圖。X、Y分量的設計和Z分量的設計相同,A IN 0作為信號的輸入端;A IN 1輸入采用電位器分壓偏置1.65V輸入。

通常在信號輸入端采用RC低通濾波器來限制高頻噪聲,注意輸入線越短越好。電路設計的信號輸入通過一個低通濾波器,是允許低頻信號通過,高頻信號衰減的電路。

低通濾波器的幅頻特性:

當 f=f P時,上式變成:

公式(1)的物理意義是:因低通電路的增益隨頻率的增大而下降,當低通電路的增益下降了3dB時所對應的頻率就是通帶截止頻率 f P。也可以說,當電路的放大倍數下降到原來的0.707時所對應的頻率。對于低通濾波器稱為上限截止頻率,用符號f H來表示。設計中初步選擇 R為 1000Ω、C為0.1μF,它的上限截止頻率為:

當 f=1 k Hz時,(1)中的 f/fP項比1小的多,結果為1.4 dB。即電路對低頻信號幾乎沒有衰減作用。從公式(3)可以看出電阻電容理論選擇適當。

圖5 地震檢波器電路設計圖

采樣控制:可以完成A/D轉換器的參數配置,如采樣率、采樣時間、增益放大、通道選擇等參數。

3.2 測量控制程序流程設計(圖6)。

表2 采集命令定義列表

圖6 數據轉換流程圖

4 試驗及結論

試驗是在實驗室進行,測試依據礦井地震勘探儀M T 470-1996標準中6.1.9進行。測試系統是由數字地震檢波器樣機和調試電腦組成,線路按圖7所示連接設備。

圖7 動態范圍試驗設備連接關系圖

以無線數字檢波器的Z軸為測試試驗軸。將Z軸的輸入信號端短路即輸入信號值為0時,設置采樣頻率為4kHz、樣點數1024、增益為20,采集信號記錄為B,見圖8;記錄A為信號滿幅值5V,通過計算可得動態范圍:

從采集的波形上來看,包括輸入端引入的感應干擾信號,噪聲信號基本上壓制在40m V左右,最大的噪聲信號在50m V以內,整體按50m V進行計算如下:

圖8 信號輸入端短路噪聲測試圖

動態范圍:計算經過計算樣機系統的動態范圍已經達到了100dB以上,能夠滿足礦井地震勘探標準≥40dB,一般礦井地震勘探為90dB的要求。滿足地震勘探的要求。從本次測量的結果來看,要使整機系統動態范圍達到設計120dB以上,還需要對電路進行相應的降噪及軟件濾波處理等。

1 王選民.智能儀器原理及設計.北京:清華大學出版社,2008

2 ADS1255,Very low noise 24-bit analog-to-digital converter,2008

3 Grant Christiansen,Seismic Sensor Demonstration Using an ADS1255 and TMS320VC5510A DSP,TEXAS INSTRUM ENTS,2009(1)

4 何建、胡焱、周超.24位 A/D轉換器 ADS1255及其應用.西南民族大學學報-自然科學版,2006(9)

5 REF3225.4ppm/C,100μA,SOT23-6 SERIES VOL TAGE REFERENCE.BB from TEXAS INSTRUM ENTS,2005(6)