用高分辨率A/D芯片的微弱信號(hào)采集試驗(yàn)

張守偉　臧德?！埜睹鳌?shù)勤

(中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司，山東 東營(yíng)　257096)

用高分辨率A/D芯片的微弱信號(hào)采集試驗(yàn)

張守偉臧德福張付明劉樹(shù)勤

(中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司，山東 東營(yíng)257096)

摘要：隨著測(cè)井領(lǐng)域?qū)π盘?hào)采集精度的要求越來(lái)越高，以高分辨率ADS1282芯片為核心、采用ARM7微控制器LPC214x芯片，設(shè)計(jì)了弱信號(hào)采集電路板，并在試驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了弱信號(hào)采集試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程采用吉時(shí)利6221電流源為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，產(chǎn)生模擬信號(hào)；由吉時(shí)利2182A納伏表實(shí)時(shí)測(cè)量模擬信號(hào)得到真實(shí)值；利用采集電路板測(cè)量模擬信號(hào)，得到測(cè)量數(shù)據(jù)后，與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比分析。由測(cè)試結(jié)果可知， ADS1282芯片存在極其微小的零點(diǎn)漂移，所設(shè)計(jì)的采集電路板可實(shí)現(xiàn)納伏級(jí)信號(hào)的采集。

關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)采集測(cè)試ADS1282ARM7SPI通信零點(diǎn)漂移

0引言

TI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1282可實(shí)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(diǎn)，適用于能源探測(cè)、地震檢測(cè)、高精度儀器儀表等要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[1]。在測(cè)井領(lǐng)域，過(guò)套管電阻率測(cè)井的測(cè)量信號(hào)電平非常低，幅值在納伏級(jí)[2-3]。ADS1282芯片具備對(duì)納伏級(jí)信號(hào)的分辨能力，已成功應(yīng)用于過(guò)套管測(cè)井進(jìn)行極微弱信號(hào)采集，如俄羅斯ECOS過(guò)套管測(cè)井儀核心A/D芯片。

因ADS1282針對(duì)專用領(lǐng)域設(shè)計(jì)，在一般工業(yè)應(yīng)用中較少;而在測(cè)井領(lǐng)域，隨著對(duì)信號(hào)采集精度要求的增高，對(duì)ADS1282的應(yīng)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(yīng)用于測(cè)井系統(tǒng)，對(duì)ADS1282進(jìn)行了電路開(kāi)發(fā)，編制了單片機(jī)程序和上位機(jī)測(cè)試軟件，并進(jìn)行小信號(hào)采集試驗(yàn)；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的輸入值和A/D芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行對(duì)比；最終在試驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試ADS1282對(duì)微弱信號(hào)的采集能力。

1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件由PC運(yùn)行，PC主機(jī)與信號(hào)采集板以串口RS-232方式通信，采用主從模式實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳。電流源設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的直流電流信號(hào)，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(hào)采集板同時(shí)測(cè)量。納伏表實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測(cè)所輸入的電壓值、由測(cè)試軟件顯示ADS1282測(cè)量電壓值。對(duì)顯示的電壓值(測(cè)量值)和納伏表顯示數(shù)據(jù)(真實(shí)值)輸入Excel作散點(diǎn)圖，并進(jìn)行分析對(duì)比。試驗(yàn)過(guò)程中，不同設(shè)備之間的連接如圖1所示。

吉時(shí)利6221電流源在直流模式輸出時(shí)能提供0.0001 nA～100 mA電流信號(hào)，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(shí)時(shí)測(cè)量取樣電阻的電壓值。在試驗(yàn)測(cè)量過(guò)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(yàn)取樣電阻的誤差不在考慮范圍之內(nèi)，其最終目的是對(duì)比信號(hào)采集板ADS1282轉(zhuǎn)換值和2182A納伏表面板電壓顯示值，驗(yàn)證信號(hào)采集板對(duì)弱信號(hào)的測(cè)試能力。

圖1　試驗(yàn)連接方案圖

2采集電路設(shè)計(jì)

信號(hào)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(jī)程序，以完成模擬信號(hào)采集和數(shù)據(jù)上傳。ADS1282在選型時(shí)，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(duì)試驗(yàn)室內(nèi)的常溫試驗(yàn)，ADS1282選型為常溫芯片。

ADS1282最小系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成，分別是SPI通信、模擬信號(hào)輸入及參考源設(shè)計(jì)。這3個(gè)部分的設(shè)計(jì)方案會(huì)影響信號(hào)的測(cè)量精度，方案設(shè)計(jì)應(yīng)在噪聲消除、信號(hào)調(diào)理等方面進(jìn)行重點(diǎn)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(shè)計(jì)中把LPC214x芯片SPI總線時(shí)鐘SCK引腳、MISO引腳、MOSI引腳分別與ADS1282時(shí)鐘引腳SCLK、DOUT引腳、DIN引腳相連。LPC214x芯片輸入時(shí)鐘Fosc=11.059 2 MHz，ADS1282輸入時(shí)鐘fclk為4.096 MHz。SPI通信時(shí)要對(duì)LPC214x端口進(jìn)行分頻，使硬件SPI端口的通信時(shí)鐘(SCK)保持在fclk/16～fclk/2的范圍內(nèi)。通信時(shí)，LPC214x為主機(jī)。由主機(jī)提供時(shí)鐘，實(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)的讀出等操作。在數(shù)據(jù)采集過(guò)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(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)讀數(shù)據(jù)響應(yīng)速度最快。

ADS1282模數(shù)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性會(huì)受數(shù)字通信端口和外接設(shè)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(duì)A/D輸入時(shí)鐘也進(jìn)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(huì)出現(xiàn)的微弱噪聲，ADUM1201和A/D端口又添加47 Ω電阻進(jìn)行阻抗匹配。通過(guò)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(shí)的數(shù)據(jù)正確性。

2.2模擬信號(hào)輸入

通過(guò)回路電阻，把外部模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，然后采取高頻濾波、過(guò)流阻抗匹配、過(guò)壓保護(hù)等措施，把模擬信號(hào)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(hào)輸入端口。模擬信號(hào)以差分方式輸入，為防止瞬間高壓對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，信號(hào)輸入端(AIN+、AIN-)接入防雷擊抗干擾TVS二極管。模擬信號(hào)通過(guò)R1、R2形成電流回路，并取得差分電壓信號(hào)。R3、R4、C2、C3構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)，去除高頻干擾。R5、R6和4個(gè)二極管保護(hù)輸入端口，確保模擬信號(hào)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(méi)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(wèn)題。

2.3模擬信號(hào)參考源

通過(guò)穩(wěn)壓芯片，向A/D芯片提供穩(wěn)定的參考電壓基準(zhǔn)，以確保A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中基準(zhǔn)信號(hào)的穩(wěn)定性[7-8]。電壓基準(zhǔn)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(fù)電源為-2.5 V，實(shí)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(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電源的高頻濾波。在供電電源出現(xiàn)波動(dòng)變化和高頻噪聲時(shí)，這種設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(hào)輸入電路和電壓基準(zhǔn)電路如圖3所示。

圖3　模擬信號(hào)輸入和電壓基準(zhǔn)電路圖

3測(cè)試軟件

測(cè)試軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)的串口與采集板進(jìn)行主從模式通信，LPC214x接收測(cè)試軟件發(fā)送的命令后，完成實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)值為4個(gè)字節(jié)(AD3～AD0)，在測(cè)試軟件中，通過(guò)量程轉(zhuǎn)換得到測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)值。采集板沒(méi)有對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，A/D芯片轉(zhuǎn)換完畢后，存儲(chǔ)于LPC214x的內(nèi)存中，等待測(cè)試軟件讀命令后立刻上傳。試驗(yàn)記錄過(guò)程是把一次轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)值和納伏表顯示值進(jìn)行記錄并整理。

ADS1282芯片內(nèi)部具有十多個(gè)寄存器，通過(guò)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(diǎn)、增益等，測(cè)試軟件可依據(jù)試驗(yàn)狀況對(duì)寄存器進(jìn)行配置。采集板上電后，測(cè)試軟件先讀出所有A/D寄存器的內(nèi)容，依據(jù)試驗(yàn)需要對(duì)每個(gè)寄存器單獨(dú)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(hào)輸入端口配置、PGA增益控制等設(shè)置。本次試驗(yàn)對(duì)直流弱信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)速度、濾波等需求性不高，只須配置PGA為最大值64，即可實(shí)現(xiàn)A/D量程為39 mV的測(cè)試。其他寄存器都為芯片上電后的默認(rèn)值。

4弱信號(hào)采集試驗(yàn)

測(cè)試過(guò)程中，把數(shù)據(jù)點(diǎn)整理到Excel文檔，繪制散點(diǎn)圖，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4中，橫坐標(biāo)為真實(shí)值(2182A)，縱坐標(biāo)為測(cè)量值(ADS1282采集系統(tǒng))。

圖4　電路的采集值和標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比圖

針對(duì)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(hào)、弱信號(hào)、微弱信號(hào)測(cè)試結(jié)論。從圖4(a)可以看出：在20 mV范圍內(nèi)，ADS1282測(cè)試值和2182A數(shù)值具備良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)量值表征了真實(shí)值，坐標(biāo)原點(diǎn)處看不出AD器件的零點(diǎn)漂移。圖4(b)把1 mV以下的測(cè)量點(diǎn)展開(kāi)，可看出1 mV以下的點(diǎn)仍然具備非常好的線性關(guān)系，不足之處是ADS1282測(cè)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(cè)試點(diǎn)，其離散度較大，但對(duì)比二者發(fā)現(xiàn)其仍然具備線性關(guān)系。

在0.01 mV以下區(qū)間測(cè)試時(shí)，軟件顯示的ADS1282輸出值出現(xiàn)了一定范圍頻繁跳動(dòng)，2182A面板顯示值也變化劇烈，說(shuō)明測(cè)試環(huán)境受試驗(yàn)室的電磁干擾較為嚴(yán)重。圖4(c)最小測(cè)試點(diǎn)為500 nV，低于500 nV的信號(hào)測(cè)試很難在現(xiàn)有的試驗(yàn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

任何A/D器件都存在一定的零點(diǎn)漂移，ADS1282在零點(diǎn)漂移和增益寄存器不作修改的情況下(芯片上電默認(rèn)值)進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)換值存在非常小的零點(diǎn)漂移。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行大信號(hào)測(cè)量時(shí)，器件固有的零點(diǎn)漂移可忽略不計(jì)。隨著測(cè)量信號(hào)越來(lái)越小，零點(diǎn)漂移的存在使A/D轉(zhuǎn)換值和實(shí)際值存在一定的誤差；但在進(jìn)行模擬信號(hào)測(cè)試時(shí)，測(cè)量值和實(shí)際值仍為線性關(guān)系。采集微弱信號(hào)時(shí)，可以采用2種方法[9]消除零點(diǎn)漂移：①進(jìn)行刻度，修改ADS1282零點(diǎn)值(OFC寄存器)和增益值(FSC寄存器)，通過(guò)測(cè)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(rèn)值，在上位機(jī)軟件中進(jìn)行刻度，通過(guò)多次采集并與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，找到零點(diǎn)值和增益值。在后續(xù)的A/D采集試驗(yàn)中，上傳原始值轉(zhuǎn)換為真值的計(jì)算過(guò)程并加入零點(diǎn)值和增益值參與計(jì)算，可使測(cè)量值和實(shí)際值一致。

另外，從圖4(c)也看出，隨著輸入信號(hào)逐漸變小，試驗(yàn)電磁環(huán)境對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響較大，試驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量真值，應(yīng)采用多次采集求平均值的方法[10]，盡量減小環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)可知，ADS1282在進(jìn)行直流電測(cè)量時(shí)存在很微小的零點(diǎn)漂移。在測(cè)量較大的輸入信號(hào)時(shí)，零點(diǎn)漂移可以忽略，測(cè)量值可表征真實(shí)值；在測(cè)量弱信號(hào)時(shí)，測(cè)量值與實(shí)際值呈線性關(guān)系。試驗(yàn)驗(yàn)證了ADS1282芯片在試驗(yàn)室內(nèi)可實(shí)現(xiàn)納伏級(jí)信號(hào)的采集，這種性能已經(jīng)完全滿足井下儀器對(duì)測(cè)試信號(hào)的需求。

通過(guò)編程開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)測(cè)試，掌握了ADS1282芯片的開(kāi)發(fā)技術(shù)、微弱信號(hào)采集技術(shù)，可為后續(xù)測(cè)井儀使用此芯片進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)的電路設(shè)計(jì)和編程開(kāi)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(hào)：TH86;TP216+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013M541956);

中石化集團(tuán)公司基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：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(cè)井理論、測(cè)井地面軟件開(kāi)發(fā)及儀器研制等方向的研究。