基于AD4020的高精度AD采集系统

田焕霞 萧飞 田策 王二鹏

摘 要：为满足准确、快速和高分辨率的数据采集，ADI公司推出了20位的AD4020芯片。利用本芯片及MCU，设计了一套高速、高分辨率的数据采集系统，以快速准确对电流信号进行采集，反馈信号以中断方式馈入PID控制器，通过PID控制器以保证电源输出电流的稳定度。对于整个采集系统，给出原理图，软件设计及关键节点描述。通过实验验证，整个采集系统达到设计要求，系统可以正常运行。

关键词：SPI；INL；20bit；低噪聲；低功耗

中图分类号：TP274.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0058-02

Abstract： In order to meet the requirement of accurate， fast and high-resolution data acquisition， ADI Company has developed a 20-bit AD4020 chip. A high-speed and high-resolution data acquisition system is designed using this chip and MCU. The current signal is collected quickly and accurately， and the feedback signal is fed into PID controller by interrupt mode. PID controller is used to ensure the stability of the output current of the power supply. For the whole acquisition system， the schematic diagram， the software design and the description of the key nodes are given. Through the experimental verification， the whole acquisition system meets the design requirements， the system can operate normally.

Keywords： SPI； INL； 20bit； low noise； low power consumption

1 概述

超高稳定度的恒流源在离子加速器中进行离子偏转具有重要的作用。为保证电源输出电流的稳定度，一般采用PID控制器对设定电流和反馈电流进行运算，而采样作为其中关键的环节，具有重要的作用。AD转换的精度，决定了系统的控制精度。因为AD4020芯片具有较高的性价比，故最终选用本芯片作为采集系统的关键器件进行系统设计。

2 系统结构设计

目前在工业领域，AD采集的位数一般多为12bit。但这个分辨率在高稳定度恒流源领域中不能取得很好的控制效果。为了达到高分辨率目的，考虑到微控制器的技术水准。本系统采用意法半导体的STM32F407芯片作为控制器，20位的AD4020作为AD采集的关键部件，ADR4540芯片作为AD4020的基准源。为使外部模拟信号得到更好的调理，分别在两条外部模拟信号线上使用低噪声运放芯片ADA4807进行跟随处理。

STM32F407通过3线制的SPI接口与AD4020芯片进行通讯，既避免了传统并口占用较多IO引脚的缺点，又实现了快速传输。本案的SPI的时钟为21MHz。为实现系统数据快速传输，启用了SPI中断接收功能，使得加快PID控制器的调节周期，从而使电流的输出更加平稳细腻。

3 硬件设计实现

是否能采集到数据取决于AD4020，采集数据的可用性则取决于MCU，即STM32F407。STM32F407作为意法半导体的中高端的微控制器，具有32位字长，高达168 MHz的系统时钟，具有3路时钟高达21MHz的SPI接口，内置512KB FLASH，原理图如图1所示。

AD4020芯片采用5V和1.8V供电，具有SPI接口，可以方便地与STM32F407进行基于SPI通讯。AD4020的外围的电路——基准源、信号调理、LDO及退耦处理见图2。

4 软件设计

系统软件开发平台是Keil V5.0，并使用意法半导体的HAL库。与标准库相比，HAL库具有更严谨及更高的抽象整合水平，HAL API集中关注各外设的公共函数功能，并定义通用的API函数接口，从而可以轻松实现产品的移植。

软件实现的目标是通过SPI接口将AD4020读取到的数据接收到STM32F407。其整体构架依次是系统时钟树的生成、I/O引脚初始化、外设初始化和中断接收，共4大部分。在SPI中断服务中对数据进行截取拼接，以得到完整的原始数据。

5 关键描述

SPI数据拼接问题：STM32F407的SPI帧长度为8位，但是AD4020的数据帧是20位，二者在帧长度上无法匹配。故采取的策略是取前2个数据帧和第3个帧的高4位拼接成一个20位的数据，即为原始信号的采数据。对于AD4020本案例采用3线制SPI，具体做法：将SPI中的MOSI引脚电平拉高，使用CNV引脚兼顾片选及启动数据传输的功能。在读取数据前先将CNV引脚拉高开始AD采集转换，持续特定时间后再将其拉低并开始读取数据。

6 结束语

笔者从项目的实际需求入手，设计了本高分辨率AD采集系统。并从系统设计、硬件设计、软件设计及关键部分等方面进行阐述。该系统已经应用于高稳定度恒流源的控制系统，AD采集数据反馈准确、快速、有效，达到了预期目的。

参考文献：

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