ADS1255及其在数字地震检波器中的应用

2010-09-28王小波赵兆梁春苗

地质装备 2010年1期

王小波赵兆梁春苗

(煤炭科学研究总院西安研究院陕西西安 710054)

1 引言

在地震检波器的设计中,研发人员对于模数转换的精度要求越来越高,为了能获得高分辨率的振动信号,要求信号采集系统动态范围大,这对检波器的数据采集系统提出了很高的要求。积分型、逐次逼近型和直接比较型A/D转换器很难达到高动态范围。传统的Nyquist率A/D转换器很难实现16位以上分辨率,在新一代地震检波器中多采用高分辨率的24位∑△A/D转换器。

∑△型A/D转换器是高性能新型结构的A/D转换器。不同于传统A/D转换器,它不是直接根据采样数据对每一个采样值的大小进行量化编码,而是以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速度将模拟信号数字化,通过使用过采样、反馈和数字滤波等技术方法增加有效分辨率,然后对A/D转换器输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率,实现A/D转换。A/D的选用一般有两种方案;套片方案的特点:(1)套片的设计方案简单,但外围电路复杂;(2)成本高,有上千元的差价;(3)生产周期长一些,因为该方案中涉及到的很多芯片供货周期大多4～7周。本设计方案综合考虑各种因素,选用ADS1255转换器。

2 ADS1255概述

ADS1255是德州仪器(TI)推出的是一款高性能的模数转换器,也是德州仪器公司重点推荐的地震勘探专用 A/D转换器,是由模拟多路开关(MUX)、输入缓冲器(BU F),可编程增益放大器(PGA)、四阶∑△调制器再加一个可编程数字滤波器组成。适用于包括科学仪器、测试与测量、地震探测、工业过程控制、医疗设备等要求苛刻的工业应用领域。

ADS1255分别采用SSOP-20封装,主要特点如下:

(1)24位无数据丢失;

(2)低非线性度:士0.0010%;

(3)高达23位的无噪声分辨率;

(4)数据输出率最大30kSPS;

(5)可配置为2路单极输入或1路差动输入;

(6)模拟多路开关具有传感器检测功能;

(7)输入缓冲器;

(8)具有低噪声可编程增益放大器,PGA=1时,可提供高到25.3位有效分辨率;PGA=64时,可提供高达22.5位有效分辨率,并且所有的 PGA具有自校准和系统校准;

(9)带有串行外设接口(SPI);

(10)可编程数字滤波器;

(11)模拟电压输入5V,数字电压输入1.8～3.6V;

(12)正常模式电源消耗38mW,备用模式电源消耗0.4mW。

2.1 ADS1255的结构原理及寄存器功能

主要由模拟多路开关和传感器检测、输入缓冲器、可编程增益放大器、四阶∑△调制器、可编程数字滤波器、时钟发生器、控制器和串行SPI接口、通用数字I/O等组成。由于ADS1255提供3路模拟输入端,模拟多路开关寄存器可将其配置为1路差动输入或者2路单极输入。默认情况下,ADS1255为差动输入,通道0为正差动输入通道(A IN 0),通道1为负差动输入端(A IN 1),作单极测量时,一般用 A IN0,A IN 1作为单极输入端;A INCOM作为公共端输入,ADS1255的内部结构如图1所示。

图1 ADS1255内部结构图

ADS1255具有检测连接至输入端外部传感器的完整性的电路,传感器检测电路简化,当开启传感器检测功能时,ADS1255自动开启输入缓冲器,SDCS通过MUX提供传感器一个约0.5uA、2uA、10uA的电流ISDC,得知(A IN0-A IN1)=ISDC(2RMUX+RRES),当传感器短路时(即RRES=0),仍有很小的信号(即 ISCDx2RMUX)被 ADS1255检测到,此时ADS1255有一很微小的转换结果输出;当传感器断路时,ADS1255转换结果异常。此方法可以检测出传感器的工作状态,正常工作时关闭传感器检测功能,传感器检测电路见图2。

图2 传感器检测电路图

ADS1255内部的调制器是一个四阶∑△系统,通过内部电容不断的充放电来测量输入信号。四阶∑△调制器的输出经可编程低通滤波器后变成高精度的数字输出。通过调整滤波次数,用户能够在精度和数据速率之间形成最佳组合。滤波次数越多,精度越高;滤波次数越少,速度越快。

ADS1255采用四线制(时钟信号线 SCL K、数据输入线D IN、数据输出线DOU T和片选线CS)SPI通讯方式,SPI通讯时序关系见图3。在此模式下,可以通过各种主控制器来控制ADS1255片上的寄存器。串口通讯时必须保持CS为低电平。在SPI传送过程中,数据被同步地发送和接收,SCL K、D IN和DOU T同步移动,SCL K信号要保持干净以免发生数据丢失。D IN结合 SCL K用来向ADS1255发送数据,在 SCL K的下降沿有效;DOU T结合SCL K用来从ADS1255读取数据,在SCL K的上升沿有效。D IN和DOU T也可以通过一条双向信号线与主控制器相连,这种情况下一定不能用 RDA TAC命令来读取数据,在空闲时,DOU T处于高阻态。

ADS1255有2个通用数字 I/O口D0、D1,所有的I/O口都可以通过 IO寄存器设置为输入或输出,D0脚还可以设置为一个时钟发生器供别的设备使用,如微控制器等。此时钟可以通过AD转换器寄存器的CL K0和CL K1位设置成以或工作。未用的IO引脚可以设置为输入接地也可以设置为输出,有利于减小电源的消耗。

ADS1255的主时钟可以由一个外部晶振或时钟发生器提供。如果主时钟由一个外部晶振产生,在PCB布线时,晶振应该尽量地靠近ADS1255,同时保证能够起振,得到一个稳定频率,起振所用的电容一般用陶瓷电容,选择晶振频率为7.68M。

2.2 ADS1255的主要寄存器功能

图3 SPI通讯时序图

ADS1255工作过程的建立主要通过对11个独立寄存器的设置来完成,这些寄存器包括所有需要设置的信息,例如采样速度、模拟多路开关、PGA设置、I/O选择、自校准等。主要寄存器状态如表1示,即:状态寄存器 Status、模拟多路开关寄存器MUX,AD控制寄存器AD转换器ON和数据速度寄存器DRA TE。

ADS1255是精度极高的A/D转换器,为了得到最佳的转换结果,在应用期间要特别注意该器件的外围电路和印刷电路板设计。如果ADS1255采用不同的地网络,应避免模拟地(AGND)和数字地(DGND)之间有电压存在。不用D0,D1时可以把其当作输入接地。如果不用RESET和SYNC/PDWN引脚,可以使其直接接数字电压输入端(DVDD)。

表1 ADS1255主要寄存器状态表

3 A/D转换器设计

3.1 A/D转换器的电路设计(图4)

基准电压源采用AMS1117-3.3供电,在电压的输出端接滤波电容。信号由三分加速度计经过一阶低通滤波器传给三个ADS1255,D0、D1/A INCOM分别接地,以便于减小电源的消耗,片内集成了PGA(1～64)支持小信号的直接接入。ADS1255在设计时(44),在模拟电源和数字电源的输入端并联一个陶瓷电容,电容要靠近输入端。在设计中,采用独立的REF3225为VREFN和VREFP提供参考电源,该电源具有极低的噪声和温漂,不会影响ADS1255的性能。在接地方式采用模拟电源和数字电源共地。

图4 数模转换器电路图

图5 Z分量的电路设计图。X、Y分量的设计和Z分量的设计相同,A IN 0作为信号的输入端;A IN 1输入采用电位器分压偏置1.65V输入。

通常在信号输入端采用RC低通滤波器来限制高频噪声,注意输入线越短越好。电路设计的信号输入通过一个低通滤波器,是允许低频信号通过,高频信号衰减的电路。

低通滤波器的幅频特性:

当 f=f P时,上式变成:

公式(1)的物理意义是:因低通电路的增益随频率的增大而下降,当低通电路的增益下降了3dB时所对应的频率就是通带截止频率 f P。也可以说,当电路的放大倍数下降到原来的0.707时所对应的频率。对于低通滤波器称为上限截止频率,用符号f H来表示。设计中初步选择 R为 1000Ω、C为0.1μF,它的上限截止频率为: