基于ZYNQ-7000与ADS125H02的高精度模数转换设计

邓肖丹，李学砚，段乐颖，李行素

（1.自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室，北京 100083；2.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083）

自然界中大部分信号均为模拟信号[1]。模数转换（ADC）将连续变换的模拟信号转换为离散的数字信号[2]，提取出有用信号，广泛应用在导航、监控、触控以及人工智能等系统中[3-5]。

基于ARM 内核的微处理以及近些年发展迅速的FPGA（现场可编程逻辑门阵列）芯片几乎都内置有模数转换部分，其中FPGA 没有指令周期，易于时序控制，具有特有的并行处理能力、强大的处理速度以及丰富的外设接口[6-8]，但都受限于芯片本身的电压范围以及转换精度等因素，在许多应用中仍然需要使用单独的模数转换芯片[9-11]；传统的模数转换芯片通过单片机进行直接控制，但受限于运算能力与硬件接口资源，会制约数据采集的速度与同步性[12]；模数转换芯片有积分型、逐次比较型、流水线型以及Δ-Σ型等类型，每种对应不同的应用需求，Δ-Σ型适应于分辨率在20 位以上的高精度测量领域[13-14]。针对以上问题，该文基于ZYNQ-7000 的FPGA 微控制器，利用近两年TI 公司新上市的24 位Δ-Σ型模数转换芯片ADS125H02 设计高精度的数模转换。

1 总体设计

系统以ZYNQ-7000 系列中XC7Z020-2CLG484I作为微控制器的核心开发板，集成了双核ARM Cortex-A9 处理系统(Processing System，PS)与可编程逻辑(Programmable Logic，PL)系统[15]，灵活性更高、可配置性更高、功耗更低、运行效率更高[16-17]。相较于自主研制微控制器核心板，使用当前技术成熟的开发板免去了对其外围基础电路的设计，减少了设计周期。硬件部分还包括模数转换电路、串口通信与电源电路。

电源模块为核心板、AD 芯片以及串口提供±5 V、+3.3 V 的电源电压。模数转换芯片与ZYNQ-7000核心板通过PL 端配置的SPI 接口进行双向通信，核心板通过在PL 端配置的UART 串行接口向PC 机发送数据。系统硬件模块连接框图如图1 所示。

2 核心电路设计

ADS125H02 可实现±20 V 双通道模拟电压输入，内部具有低噪声0.125～128 的可编程增益放大器（PGA），40 kSps 转换速率，具有内部基准电压源。内置的PGA 可根据输入模拟电压范围灵活调节增益放大器倍数，以对应内部基准电压源的幅值进行模数转换，可有效减少电路板面积，消除了对外部衰减器或外部增益的需要，降低了电路噪声，有利于高精度、小型化设计[18]。ADS125H02 共有32 个管脚，其中主要管脚功能如表1 所示。

表1 ADS125H02管脚功能

AD 转换电路作为系统的核心部分，根据芯片管脚功能与需求来设计电路。ADS125H02 只能采用串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）与ZYNQ-7000 进行通信，传统方式是在ZYNQ-7000 的PS 端使用内置的SPI 接口进行通信，可降低程序设计难度，但时速以及挂载数量受到限制，而在未植入操作系统的情况下，也无法实现数据的同步采集与转换，不利于将来多路实时AD 转换的扩展，利用在PL 端配置SPI 接口进行通信可有效克服这些弊端。AD 转换电路如图2 所示。

图2 AD转换电路

电路中两路单端输入范围根据HV_AVDD 与HV_AVSS 将输入电压控制在-5.3～+5.3 V 范围内，数字部分采用单电源+3.3 V 供电，模拟部分采用±5 V双极性供电，在电源附近使用0.1 μF 的去耦电容进行滤波，降低电源噪声，模拟地GND 与数字地GGND单点连接，抑制环路噪声，REFOUT 与BYPASS 可分别输出+2.5 V 与+2.0 V 的内部电压，在设计中不使用，直接连接电容接地，P1 与P2 外接两路模拟输入电压。

3 程序设计

系统以ZYNQ-7000 作为核心处理器，通过SPI与ADS125H02 进行通信，实时控制数据的采集转换，灵活调节寄存器参数，将接收到的二进制数值进行提取与处理，得到带符号的模拟电压值，由串口发送至上位机中，实现高精度的模数转换[19-20]。

ADS125H02 作为SPI 通信的从设备，需要主设备提供时钟信号。串行通信的时序如图3 所示，t1表示时钟触发上升沿到输出有效数据的时间，为了正确地发送数据，t1的值在15～40 ns 之间；t2表示时钟触发下降沿前读取数据的启动时间，t3表示时钟触发下降沿后读取数据的保持时间，为了正确地读取数据，t2与t3之间最少需要保持25 ns。根据要求，以ZYNQ-7000 的50 MHz 晶振为时钟基准，通过软件处理获得7.14 MHz 的SCLK 时钟信号。特别注意的是，ZYNQ-7000 在时钟信号触发的同时读取/发送数据，但ADS125H02 需要在一定延时后才发送正确数据，因此，ZYNQ-7000 读取ADS12H02 发送的数据时应延迟一个时钟周期。

图3 串行通信时序图

软件设计基于ZYNQ-7000 的PL 端进行。在数据转换之前先对ADS125H02 的内部寄存器进行配置：先发送寄存器地址数据再发送寄存器配置数据，包括转换速率、参考电压、增益放大器倍数以及转换通道等。设计中有两路数据进行轮流转换，每次需重新开启转换配置，无论是对寄存器的操作还是数据转换读取都需要进行CRC 校验，校验通过则表明ADC 芯片正确实现了读写寄存器以及数据转换，否则需要重新进行操作。ZYNQ-7000 收到的数字信号为24 位二进制数，通过软件进行计算处理。Wait 控制两通道转换速度，在PL 端配置的串口输出带符号的模拟电压值，电压值保留到小数点后六位，小数点前一位，共七位。程序编写要严格按照器件的工作时序进行，程序设计流程图如图4所示。

图4 程序设计流程图

在程序设计中，CH0 与CH1 两通道数据的每一次交替转换，都需重新配置寄存器MODE4，MODE4寄存器的值决定了当前的转换通道。转换数据的开启可使用硬件控制也可使用软件控制，系统选择通过START 命令，利用软件方式开启转换，再读取DRDY 管脚的电平信息，为低电平则表示新的数据转换完成，可以利用RDATA 命令进行数据读取，否则继续等待，直到DRDY 管脚为低电平。数据转换流程图如图5 所示。

图5 数据转换流程图

将完成的程序代码打包成IP 核，如图6 所示，便于以后移植调用，根据管脚对应的输入输出，可同时挂载多个AD 转换芯片，实现同步数据采集。

图6 ADS125H02 IP核

4 仿真结果与分析

利用软件的仿真功能对程序中的部分算法进行仿真测试，确保接收到的二进制数可以准确无误地转换为十进制电压值，验证了结果的真实性。在程序中，ZYNQ-7000 收到ADS125H02 经过模数转换后的24 位二进制数据，按照芯片数据说明，通过算法将二进制数转换为有符号的10 进制数。二进制值Code 与电压值的对应公式如表2 所示，Vref是基准电压值，系统中为2.5 V，增益Gain 为0.5。

表2 模拟电压与24位二进制对应关系

根据上述关系，在仿真程序中进行检验时，随意对24 位二进制数值进行设置。取其中值为0xF23456，根据计算可知对应的幅值应为-0.538 889 170 V，仿真结果如图7 所示，从图中可以看出，此时符号位的ASCII 码值为2d，对应为“-”，数值为0538889，在输出中小数点位数为六位，对应的电压值为0.538 889 V，仿真结果验证正确。

图7 仿真结果图

5 测试结果分析

对系统进行上电测试，通过串口将输入模拟信号转换的电压值发送到上位机进行观测。将ADS125H02其中的两通道模拟输入连接幅值为+3.3 V和-2.5 V进行测试，通过数据处理，上位机软件接收数据，测试结果如图8 所示。从图中可看出，两通道数据轮流进行采集，输出带符号的7位电压值，分辨为1 μV。

图8 测试结果

6 结论

该文利用基于ZYNQ-7000 的可编程逻辑端与ADS125H02 实现了24 位、±5 V 的低噪声高精度数模转换，并验证了数据转换的正确性。基于ZYNQ-7000 核心处理器丰富的外设接口，高速的处理速度和同步性，可扩展多个AD 同时进行数据转换；ADS125H02 双极性的宽电压转换范围，集成的内部基准源、低噪声增益放大器与数字滤波，高达24 位的转换精度，使其在要求高精度、同步性、小型化等系统中具有良好的应用和前景。