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：隨著測井領域對信號采集精度的要求越來越高，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)據后，與真實值進行對比分析。由測試結果可知，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)轉換信號采集 測試ADS1282 ARM7 SPI通信零點漂移
中圖分類號：TH86；TP216+．1 DOI:10. 16086/j. cnki．issn 1000 - 0380. 201606023
0引言
TI公司的模數(shù)轉換芯片ADS1282可實現(xiàn)32位轉換數(shù)據輸出，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。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。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（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 m A電流信號，端子外接電阻R=1Ω，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1nV，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，其最終目的是對比信號采集板ADS1282轉換值和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。
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、信號調理等方面進行重點考慮。采集電路系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2.1 SPI通信
IPC214x是ARM7TDMI -S系列32位微處理器，具備硬件SPI端口。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。
機。由主機提供時鐘，實施A/D芯片內部寄存器數(shù)據的讀出和配置字寫入、測量數(shù)據的讀出等操作。在數(shù)據采集過程中，ADS1282配置為數(shù)據連續(xù)輸出模式，使得ADS1282數(shù)據轉換完畢后DRDY引腳置低，LPC214x以中斷方式進行編程，以實現(xiàn)讀數(shù)據響應速度最快。
ADS1282模數(shù)轉換的穩(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ADUMl201。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 Q電阻進行阻抗匹配。通過這些隔離措施，保證了ADS1282模數(shù)轉換狀態(tài)穩(wěn)定和高速數(shù)據通信時的數(shù)據正確性。
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。
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，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)轉換過程中基準信號的穩(wěn)定性。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，地接人負電源為-2.5 V，實現(xiàn)輸
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。
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)據上傳及A/D芯片內部寄存器讀寫等操作。
A/D轉換的實時值為4個字節(jié)（AD3~AD0），在測試軟件中，通過量程轉換得到測量數(shù)據的真實值。采集板沒有對測量數(shù)據進行數(shù)字濾波處理，A/D芯片轉換完畢后，存儲于LPC214x的內存中，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換的實時值和納伏表顯示值進行記錄并整理。
ADS1282芯片內部具有十多個寄存器，通過寄存器的配置可控制A/D芯片的轉換速率、濾波方式、PGA、零點、增益等，測試軟件可依據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寄存器的內容，依據試驗需要對每個寄存器單獨寫入。其中，confi90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)據點整理到Excel文檔，繪制散點圖，試驗結果如圖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)）。
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、微弱信號測試結論。從圖4(a)可以看出：在20 mV范圍內，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 n V，低于500 n V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；②ADS1282內部寄存器數(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。由于單次轉換后提取數(shù)據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，盡量減小環(huán)境噪聲對測試結果的影響。
5結束語
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芯片在試驗室內可實現(xiàn)納伏級信號的采集，這種性能已經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。
