用高分辨率A/D芯片的微弱信號采集試驗

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(中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營　257096)

用高分辨率A/D芯片的微弱信號采集試驗

張守偉臧德福張付明劉樹勤

(中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營257096)

摘要：隨著測井領域?qū)π盘柌杉鹊囊笤絹碓礁?，以高分辨率ADS1282芯片為核心、采用ARM7微控制器LPC214x芯片，設計了弱信號采集電路板，并在試驗室環(huán)境下進行了弱信號采集試驗。試驗過程采用吉時利6221電流源為標準信號源，產(chǎn)生模擬信號；由吉時利2182A納伏表實時測量模擬信號得到真實值；利用采集電路板測量模擬信號，得到測量數(shù)據(jù)后，與真實值進行對比分析。由測試結(jié)果可知， ADS1282芯片存在極其微小的零點漂移，所設計的采集電路板可實現(xiàn)納伏級信號的采集。

關鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換信號采集測試ADS1282ARM7SPI通信零點漂移

0引言

TI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1282可實現(xiàn)32位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出，具有超高分辨率、低噪聲可編程放大器(PGA)等特點，適用于能源探測、地震檢測、高精度儀器儀表等要求苛刻的工業(yè)應用領域[1]。在測井領域，過套管電阻率測井的測量信號電平非常低，幅值在納伏級[2-3]。ADS1282芯片具備對納伏級信號的分辨能力，已成功應用于過套管測井進行極微弱信號采集，如俄羅斯ECOS過套管測井儀核心A/D芯片。

因ADS1282針對專用領域設計，在一般工業(yè)應用中較少;而在測井領域，隨著對信號采集精度要求的增高，對ADS1282的應用推廣更為迫切。為了使這種高分辨率A/D芯片更廣泛地應用于測井系統(tǒng)，對ADS1282進行了電路開發(fā)，編制了單片機程序和上位機測試軟件，并進行小信號采集試驗；對標準信號的輸入值和A/D芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換值進行對比；最終在試驗室環(huán)境下測試ADS1282對微弱信號的采集能力。

1試驗方案設計

測試軟件由PC運行，PC主機與信號采集板以串口RS-232方式通信，采用主從模式實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳。電流源設備提供標準的直流電流信號，電流源外接取樣電阻形成電流閉合回路，在取樣電阻上得到電壓值，電壓值由納伏表和信號采集板同時測量。納伏表實現(xiàn)高精度監(jiān)測所輸入的電壓值、由測試軟件顯示ADS1282測量電壓值。對顯示的電壓值(測量值)和納伏表顯示數(shù)據(jù)(真實值)輸入Excel作散點圖，并進行分析對比。試驗過程中，不同設備之間的連接如圖1所示。

吉時利6221電流源在直流模式輸出時能提供0.0001 nA～100 mA電流信號，端子外接電阻R=1 Ω，并取得與電流數(shù)值相等的電壓值。2182A納伏表的最小顯示位為1 nV，由它實時測量取樣電阻的電壓值。在試驗測量過程中，6221電路源和2182A納伏表配套使用。取樣電壓受外接電阻精度的影響，使得6221的面板電流顯示值和2182A的面板電壓顯示值存在一定數(shù)值誤差。本次試驗取樣電阻的誤差不在考慮范圍之內(nèi)，其最終目的是對比信號采集板ADS1282轉(zhuǎn)換值和2182A納伏表面板電壓顯示值，驗證信號采集板對弱信號的測試能力。

圖1　試驗連接方案圖

2采集電路設計

信號采集板以芯片ADS1282為核心，采用LPC214x系列處理器，并在此處理器上編制單片機程序，以完成模擬信號采集和數(shù)據(jù)上傳。ADS1282在選型時，常溫芯片和高溫芯片除耐溫、封裝不同之外，具有相同的其他性能參數(shù)。因此，針對試驗室內(nèi)的常溫試驗，ADS1282選型為常溫芯片。

ADS1282最小系統(tǒng)由3個部分構(gòu)成，分別是SPI通信、模擬信號輸入及參考源設計。這3個部分的設計方案會影響信號的測量精度，方案設計應在噪聲消除、信號調(diào)理等方面進行重點考慮。采集電路系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　ADS1282采集電路最小系統(tǒng)圖

2.1SPI通信

LPC214x是ARM7TDMI-S系列32位微處理器，具備硬件SPI端口[4]。SPI端口和ADS1282芯片的SPI端口直接建立硬件連接，即在電路設計中把LPC214x芯片SPI總線時鐘SCK引腳、MISO引腳、MOSI引腳分別與ADS1282時鐘引腳SCLK、DOUT引腳、DIN引腳相連。LPC214x芯片輸入時鐘Fosc=11.059 2 MHz，ADS1282輸入時鐘fclk為4.096 MHz。SPI通信時要對LPC214x端口進行分頻，使硬件SPI端口的通信時鐘(SCK)保持在fclk/16～fclk/2的范圍內(nèi)。通信時，LPC214x為主機。由主機提供時鐘，實施A/D芯片內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)的讀出和配置字寫入、測量數(shù)據(jù)的讀出等操作。在數(shù)據(jù)采集過程中，ADS1282配置為數(shù)據(jù)連續(xù)輸出模式，使得ADS1282數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后DRDY引腳置低，LPC214x以中斷方式進行編程，以實現(xiàn)讀數(shù)據(jù)響應速度最快。

ADS1282模數(shù)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性會受數(shù)字通信端口和外接設備控制總線的干擾。為減少A/D芯片所受高速處理器系統(tǒng)的數(shù)字噪聲干擾，A/D芯片與處理器系統(tǒng)采用了隔離措施，并對A/D輸入時鐘也進行了隔離，隔離芯片采用了線性變壓器ADUM1201[5-6]。另外，為了減小隔離芯片會出現(xiàn)的微弱噪聲，ADUM1201和A/D端口又添加47 Ω電阻進行阻抗匹配。通過這些隔離措施，保證了ADS1282模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)穩(wěn)定和高速數(shù)據(jù)通信時的數(shù)據(jù)正確性。

2.2模擬信號輸入

通過回路電阻，把外部模擬信號轉(zhuǎn)換為差分信號，然后采取高頻濾波、過流阻抗匹配、過壓保護等措施，把模擬信號輸入到芯片的差分端口。

芯片模擬電源VCC為±2.5 V，具備2路差分方式輸入的模擬信號輸入端口。模擬信號以差分方式輸入，為防止瞬間高壓對測量系統(tǒng)的影響，信號輸入端(AIN+、AIN-)接入防雷擊抗干擾TVS二極管。模擬信號通過R1、R2形成電流回路，并取得差分電壓信號。R3、R4、C2、C3構(gòu)成濾波網(wǎng)絡，去除高頻干擾。R5、R6和4個二極管保護輸入端口，確保模擬信號輸入電流在安全限值之內(nèi)，且輸入電壓不超出±2.5 V的范圍。

數(shù)字電源為3.3 V，為芯片的數(shù)字功能模塊提供電源。ADS1282沒有模擬地， A/D芯片的最小系統(tǒng)不須考慮數(shù)字地和模擬地的共地問題。

2.3模擬信號參考源

通過穩(wěn)壓芯片，向A/D芯片提供穩(wěn)定的參考電壓基準，以確保A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中基準信號的穩(wěn)定性[7-8]。電壓基準電路采用了ADR441穩(wěn)壓芯片，芯片的正電源為2.5 V，地接入負電源為-2.5 V，實現(xiàn)輸出電壓Uout和-2.5 V電源的差值(C7兩端)的穩(wěn)定。R7和C6、C5實現(xiàn)基準電源的高頻濾波。在供電電源出現(xiàn)波動變化和高頻噪聲時，這種設計使得C5兩端的電壓值穩(wěn)定，噪聲較小，最終保證了ADS轉(zhuǎn)換基準電源端口Urefp、Urefn的穩(wěn)定性。

在以ADS1282為核心的采集系統(tǒng)中，模擬信號輸入電路和電壓基準電路如圖3所示。

圖3　模擬信號輸入和電壓基準電路圖

3測試軟件

測試軟件通過計算機的串口與采集板進行主從模式通信，LPC214x接收測試軟件發(fā)送的命令后，完成實時采集數(shù)據(jù)上傳及A/D芯片內(nèi)部寄存器讀寫等操作。

A/D轉(zhuǎn)換的實時值為4個字節(jié)(AD3～AD0)，在測試軟件中，通過量程轉(zhuǎn)換得到測量數(shù)據(jù)的真實值。采集板沒有對測量數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理，A/D芯片轉(zhuǎn)換完畢后，存儲于LPC214x的內(nèi)存中，等待測試軟件讀命令后立刻上傳。試驗記錄過程是把一次轉(zhuǎn)換的實時值和納伏表顯示值進行記錄并整理。

ADS1282芯片內(nèi)部具有十多個寄存器，通過寄存器的配置可控制A/D芯片的轉(zhuǎn)換速率、濾波方式、PGA、零點、增益等，測試軟件可依據(jù)試驗狀況對寄存器進行配置。采集板上電后，測試軟件先讀出所有A/D寄存器的內(nèi)容，依據(jù)試驗需要對每個寄存器單獨寫入。其中，config0寄存器有芯片的輸出速率、濾波方式等配置， config1寄存器里有模擬信號輸入端口配置、PGA增益控制等設置。本次試驗對直流弱信號進行采集，對速度、濾波等需求性不高，只須配置PGA為最大值64，即可實現(xiàn)A/D量程為39 mV的測試。其他寄存器都為芯片上電后的默認值。

4弱信號采集試驗

測試過程中，把數(shù)據(jù)點整理到Excel文檔，繪制散點圖，試驗結(jié)果如圖4所示。圖4中，橫坐標為真實值(2182A)，縱坐標為測量值(ADS1282采集系統(tǒng))。

圖4　電路的采集值和標準值對比圖

針對A/D滿量程為39 mV范圍的情況，圖4(a)～圖4(c)可分別代表大信號、弱信號、微弱信號測試結(jié)論。從圖4(a)可以看出：在20 mV范圍內(nèi)，ADS1282測試值和2182A數(shù)值具備良好的對應關系，測量值表征了真實值，坐標原點處看不出AD器件的零點漂移。圖4(b)把1 mV以下的測量點展開，可看出1 mV以下的點仍然具備非常好的線性關系，不足之處是ADS1282測量結(jié)果出現(xiàn)了0.2 mV的零漂。圖4(c)展示了0.01 mV以下的測試點，其離散度較大，但對比二者發(fā)現(xiàn)其仍然具備線性關系。

在0.01 mV以下區(qū)間測試時，軟件顯示的ADS1282輸出值出現(xiàn)了一定范圍頻繁跳動，2182A面板顯示值也變化劇烈，說明測試環(huán)境受試驗室的電磁干擾較為嚴重。圖4(c)最小測試點為500 nV，低于500 nV的信號測試很難在現(xiàn)有的試驗環(huán)境中實現(xiàn)。

任何A/D器件都存在一定的零點漂移，ADS1282在零點漂移和增益寄存器不作修改的情況下(芯片上電默認值)進行測試，轉(zhuǎn)換值存在非常小的零點漂移。試驗發(fā)現(xiàn)，在進行大信號測量時，器件固有的零點漂移可忽略不計。隨著測量信號越來越小，零點漂移的存在使A/D轉(zhuǎn)換值和實際值存在一定的誤差；但在進行模擬信號測試時，測量值和實際值仍為線性關系。采集微弱信號時，可以采用2種方法[9]消除零點漂移：①進行刻度，修改ADS1282零點值(OFC寄存器)和增益值(FSC寄存器)，通過測試軟件把修改值寫入寄存器內(nèi)；②ADS1282內(nèi)部寄存器數(shù)值保持上電默認值，在上位機軟件中進行刻度，通過多次采集并與實際值進行對比，找到零點值和增益值。在后續(xù)的A/D采集試驗中，上傳原始值轉(zhuǎn)換為真值的計算過程并加入零點值和增益值參與計算，可使測量值和實際值一致。

另外，從圖4(c)也看出，隨著輸入信號逐漸變小，試驗電磁環(huán)境對測量系統(tǒng)的影響較大，試驗值和標準值的離散度較大。由于單次轉(zhuǎn)換后提取數(shù)據(jù)用于記錄的效果不佳，為得到測量真值，應采用多次采集求平均值的方法[10]，盡量減小環(huán)境噪聲對測試結(jié)果的影響。

5結(jié)束語

通過試驗可知，ADS1282在進行直流電測量時存在很微小的零點漂移。在測量較大的輸入信號時，零點漂移可以忽略，測量值可表征真實值；在測量弱信號時，測量值與實際值呈線性關系。試驗驗證了ADS1282芯片在試驗室內(nèi)可實現(xiàn)納伏級信號的采集，這種性能已經(jīng)完全滿足井下儀器對測試信號的需求。

通過編程開發(fā)和試驗測試，掌握了ADS1282芯片的開發(fā)技術、微弱信號采集技術，可為后續(xù)測井儀使用此芯片進行信號采集時的電路設計和編程開發(fā)提供參考。

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Experiment of Weak Signal Acquisition by Using High Resolution A/D Chip

Abstract：In well logging field, the requirement for accuracy of signal acquisition becomes higher and higher, to meet the demand, the acquisition circuit board of weak signal is designed with the high resolution ADS1282 chip as the core, and ARM7 microcontroller LPC214x chip is used.The experiment of weak signal acquisition is conducted under laboratory environment.In the experimental process, the instrument of model 6221 current source manufactured by Keithley is used as a standard signal source to generate analog signals, and the instrument of Model 2182A Nanovoltmeter from Keithley is used to measure the analog signal and to get the true value in real-time.At the same time, the analog signal is measured by the acquisition circuit board and to get the measured data, then the measured data and the true value data are compared and analyzed.It is verified by the test result that the ADS1282 chip has an extremely small zero point drift, the acquisition circuit board which has been developed can realize acquisition of the nV-level signals.

Keywords:Analog-digital conversionSignal acquisitionTestADS1282ARM7SPI communicationEero drift

中圖分類號：TH86;TP216+.1

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606023

中國博士后科學基金資助項目(編號：2013M541956);

中石化集團公司基金資助項目(編號：JP14043)。

修改稿收到日期：2015-09-22。

第一作者張守偉(1977-)，男，現(xiàn)為勝利油田博士后科研工作站地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)在讀博士后；主要從事電磁測井理論、測井地面軟件開發(fā)及儀器研制等方向的研究。