ADS1282及其在单通道地震数据采集单元中的应用

数据采集系统中的采集信号质量很大程度上取决于模数转换器的选取及使用。为满足高精度地震数据采集的应用需要，设计一种高集成度、单通道地震数据采集单元，该单元可实现单道地震信号的拾取、数据转换、存储及数据传输功能，采用新型模／数转换器ADS1282进行数据转换，可获得高保真度、高信噪比、高分辨率的数字信号，同时还可以利用其片上的数据选择器及校准引擎实现自检和系统校准功能，从而保证采集信号质量不随时间、地点、环境和条件而变化。利用ADS1282设计实现的数字化采集单元具有低功耗、小体积、高精度、高分辨率的特点。这里给出ADS1282模／数转换器的特点、工作原理及其在地震数据采集单元中的接口设计。

1 ADS1282简介
1．1 主要特性
    ADS1282是一款针对工业应用、具有极高性能的32位、△-∑型模数转换器(ADC)。该转换器具有4阶、固有稳定△-∑调制器，因此具有优良的噪声和线性特性；该调制器的输出既可与片上的数字滤波器联合使用，也可旁路输出到加速处理滤波器；片上多路选择器(MUX)既可提供用于测量的附加的外部输入，也可与内部自检电路相连；片上可编程放大器(PGA)具有极低的噪声和高输入阻抗，易与地震检波器、水听器经一个宽范围的增益连接；数字滤波器可通过编程选择不同的滤波器组合方式；同时片上具有增益及失调检测寄存器支持系统校准功能。ADS12 82的额定工作温度范围为-40～+85℃，最大工作范围可达+125℃，适用于能源探测、地震检测、高精度仪器仪表等要求苛刻的工业应用领域。
    ADS1282的主要特性如下：
    1)高分辨率：高精度模式，数据输出率为250 SPS时信噪比(RSN)达130 dB，低功耗模式，数据输出率为250 SPS时信噪比(RSN)达127 dB；
    2)高精度：总谐波失真(THD)为-122 dB，积分非线性(INL)为O．5 ppm；
    3)低噪声可编程放大器(PGA)：；
    4)2通道多路选择输入(MUX)；
    5)超量程快速检测功能的4阶、固有稳定△-∑调制器；
    6)灵活的数字滤波器：可选择Sinc+FIR+IIR滤波的不同组合方式，其中FIR滤波方式可编程设置为线性或最小相位响应，数据输出率可在250 SPS至4 KSPS之间选择；
    7)可设置滤波通带；
    8)低功耗：高精度模式为25 mW，低功耗模式为17 mW，待机模式为90μW，掉电模式仅为10μW；
    9)失调及增益校准引擎。
1．2 引脚说明
    ADS1282采用28引脚TSSOP封装，其引脚配置如图l所示。

    CLK：主时钟输入；SCLK：串行时钟输入；DRDY：数据准备好输出，在其下降沿读出数据：DOUT、DIN：串行数据输出、输入；MCLK、M1、M0：若工作在调制器模式，MCLK为调制器时钟输出，M1、MO为调制器的数据输出，否则这些引脚不使用，需接固定值；SYNC：同步输入，用于实现多芯片同步工作；MFLAG：调制器超量程标志，0表示正常，1表示超量程；DGND：数字地，该引脚是接地点的核心；CAPN、CA-PP：PGA输出，在CAPP与CAPN之间需连接一只10 nF的电容；AINP2、AINN2，AINP1、AINN1：正、负模拟输入端；AVDD、AVSS：正、负模拟供电电源，单极性(+5 V)或双极性(±2．5 V)；VREFN、VREFP：正、负基准输入；：掉电输入，低电平有效；：复位输入，低电平有效；DVDD：数字供电电源：+1．8～+3．3 V；BYPAS：从校准输出：与DGND之间接1μF电容。
1．3 内部结构与工作原理
    ADS1282的内部结构如图2所示，主要由多路选择器(MUX)、可编程增益放大器(PGA)、△-∑调制器、可编程数字滤波器、增益及失调校准引擎、超量程检测电路、控制器及SPI串行接口等组成。

    多路选择器MUX允许5种设置：输入1、输入2、输入1、2之间短路、400 Ω短路测试及共模测试；多路选择器之后是时间连续的差分输入、差分输出CMOS可编程增益放大器(PGA)，PGA的增益范围是1～64，可通过寄存器设置。PGA通过300 Ω的内部电阻差分驱动调制器，在CAPP与CAPN之间需接COG型陶瓷电容以滤除调制器采样时产生的瞬时干扰，外部电容用于反混叠滤波，其转折频率可由公式fp=1／6．3x600xC计算。
    ADS1282的调制器是一个高性能、固有稳定4阶△-∑调制器，为2加2的通道结构，该调制器在输入过载情况下可进行预测及修复。调制器将待测差分输入信号VIN(其中VIN=(AINP-AINN)PGA)与基准电压VREF(VREF=VREFP-VREFN)相比较，得到1 s密度的数据流，如果输入驱动超过调制器90％但低于100％，调制器仍保持稳定连续的1 s密度数据流，当调制器的输入超出满量程范围时，调制器将进入稳定的饱和状态，这时数字输出代码可能是正满量程值或负满量程值，当输入返回到正常范围时，调制器需要12个调制时钟周期(fMOD)退出饱和状态并返回到线性区域，数字滤波器另外需要62个转换周期才可完全建立数据(线性相位FIR滤波)。
    调制器的数据流输出可直接被访问、旁路并禁止输入到内部数字滤波器，也可连接到片上的数字滤波器以提供可读的输出代码。设置CONFIGO寄存器的位FILTR[1：0]=00，可使调制器工作在输出模式，这时引脚MO、M1变为调制器的数据输出，MCLK变为调制器的时钟输出，但不工作在调制器输出模式时，这些引脚为输入引脚且需接固定值。
    数字滤波器接收调制器的输出并对数据流进行抽取，通过调节滤波器的数量，可以在精度和数据输出率之间进行折衷，滤波器越多则精度越高，滤波器越少则数据输出率越高。
    数字滤波器由3个级联的滤波器组成：1个抽取率可调的、五级sinc滤波器，1个具有可编程相位、32倍率抽取的有限冲击响应(FIR)低通滤波器及1个可编程的、一阶高通滤波器(HPF)。数据可从这3级滤波器模块的任意一级输出，若完全不使用片上滤波器，则可选择滤波器旁路设置(调制器输出)，若部分使用片上滤波器，则可选择sinc滤波器输出，表l为滤波器的设置。

    SYNC信号输入将使数字滤波器及调制器执行复位操作，允许多个ADS1282与某个外部事件同步转换。输入将使寄存器设置复位并重启转换处理，输入将使芯片进入微功耗状态，注意在模式将不保持原寄存器中的设置，如果希望原寄存器中的设置不变，可使用待机(STANDBY)命令进行设置(在待机模式下静态电流会稍微大一些)。
    ADS1282根据输入范围选择单电源供电或双电源供电(AVDD和AVSS相互独立)，数字电源可为1．8～3．3 V，模拟电源可设置为+5 V以接收单极性信号或设置为较低的±2．5 V内的双电源，以接收真正的双极性输入信号。

2 在地震数据采集单元中的应用
2．1 采集单元的系统构成
    该单通道地震数据采集单元设计方案是在分布式地震数据采集系统设计理念的基础上提出的，该数据采集单元可实现单通道地震波信号的原位数字化及数据存储、通信功能，可有效去除模拟信号传输中的干扰信号，提高地震信号采集的质量，地震信号的数据处理、波形显示和记录功能，由控制主机完成。单通道地震数据采集单元的硬件主要由地震信号传感器、模／数转换器、微控制器、存储器、电源管理模块及串行通信接口构成，为达到低功耗、小体积、高精度、高分辨率的设计目的，地震信号传感器选择基于微电子机械系统(MEMS)技术的振动信号传感器ADXL001，微控制器选用高性能、低电压、16位RISC微控制器MSP430F123，此外，为满足大数据量采集的应用需要外扩1个32 KBx8的低功耗FRAM芯片，经模／数转换后的数据首先存入FRAM中，然后通过串行通信接口送到主机，图3为单道地震数据采集单元的硬件组成框图，设计中将模拟电路和数字电路分开供电，触发电路用于实现采集与外部震源同步。

2．2 ADS1282的应用接口电路
    该数据采集单元主要用于陆地勘探，将模拟地震信号传感器(简称地震检波器)拾取的地震波信号转换为数字信号，然后通过串行接口传送到控制主机，为了提高采集信号的质量、有效去除环境造成的噪声干扰，将传感器输出信号通过前端滤波网络送入ADS1282的模拟输入端，接入方式采用差模方式。设计中为提高勘探精度，保证采集信号的质量不会随时间、地点、环境和条件而变化，ADS1282的另一对差分输入端接标准信号源(信号源由专门电路产生)，在启动正式数据采集之前可对标准信号进行采集以获得相应的校准参数，然后对ADS1282内部的增益及失调检测寄存器进行正确设置。
    图4为地震信号传感器与ADS1282输入前端的应用接口电路，ADS1282采用±2．5 V电源供电。地震信号传感器的输出信号通过R1、R2及C1、C2、C3构成的滤波网络去除高频干扰，为保持良好的共模抑制特性，要求R1、R2匹配精度达到0．1％。电容C3与C1并联可有效降低由于两输入端C1、C2不匹配引起的共模误差，当C3比C1大10倍时，可将因C1、C2不匹配造成的共模误差降低20倍。

    ADS1282是高精度模数转换器，要获得最佳性能在PCB设计时应将微控制器、振荡器等噪声较大的数字元件与转换器、模拟前端分开放置，将数字元件放置在靠近电源输入侧以保持尽可能短的数字电流路径，并与敏感的模拟元件分离。箝位二极管用于保护ADS1282的输入信号瞬时超载，当输入信号电平可能超出内部ESD二极管的额定值时该箝位二极管可对输入提供保护。
    REF5025为ADS1282提供基准电压，该基准输出通过R5、C7滤波，电容C8为基准输入信号提供高频旁路功能，应将C8放置在靠近ADS1282的引脚端。R3、R4与内部300 Ω电阻形成分压电路为ADS1282提供失调电压，该失调可从通带中除去低电平无用分量，注意该失调与PGA的设置是独立的，该失调电阻同样导致小的附加增益误差。为了保持良好的共模抑制特性，R3、R4匹配精度应达到0．1％，且布线时直接连接到基准输入端。
    电容C4用于滤除PGA输出的瞬时干扰信号，该干扰信号是由于调制器采样引起的，该电容同样对输入信号形成一个低通滤波器，具有25 kHz的截频。

3 数据输出接口电路
    ADS1282通过串行接口读出转换的数据并访问设置寄存器，ADS1282以二进制补码的格式提供32位转换数据，其中最高位是符号位，‘0’表示是正数，‘1’表示是负数。
    ADS1282的串行接口是3线制SPI接口，它包括3个基本信号：SCLK、DIN及DOUT。当转换数据准备好用于回读时，可利用信号作为判断标志，为输出信号，当其变为低电平时表示新的转换数据已准备好。
    数据在SCLK的上升沿移入DIN，而在SCLK的下降沿移出DOUT，若SCLK保持为低电平达64个周期，则数据传输或命令输入将终止且SPI接口复位，下一个SCLK脉冲将启动一个新的通信周期。当传输中断或SCLK意外失效时可利用这一间歇特性恢复接口，当SCLK无效时需保持低电平。
    图5为MSP430F123与ADS1282的数据传输及控制接口电路，图中R1～R2取值为47 Ω，为了去除数字信号带来的于扰，在布线时这些电阻应放置在发出信号的一侧，例如信号是微处理器发出的，R1应放置在靠近MSP430F123的引脚附近，而DOUT信号是由ADS1282发出的，则R4应靠近DOUT引脚放置。

4 结束语
    ADS1282是高集成度的模／数转换器，利用其片上提供的多路选择器、可编程增益放大器、数字滤波器及增益、失调校准引擎，不仅可简化采集系统的电路设计、降低功耗，同时可提高系统的稳定性，是高精度数据采集系统的理想选择。但ADS1282是基于△-∑技术的模／数转换器，存在较长的数据建立时间及通道延迟，只适合单通道、单A／D数据采集的应用，要获得理想的采集精度，需对其内部的滤波器和校准寄存器进行正确设置，同时需在辅助电路、印刷电路板(PCB)设计时注意以下几点：
    1)在PCB设计时应将微控制器、振荡器等噪声较大的数字元件与转换器、模拟前端分开放置，将数字元件放置在靠近电源输入侧以保持尽可能短的数字电流路径，并与敏感的模拟元件分离。
    2)将模拟电源与数字电源分开供电，布线时模拟地AGND和数字地DGND仅在一点处连接。
    3)为避免数字输入时产生的纹波，在布线时可串接50 Ω左右的小电阻，并将电阻放置在信号源端(驱动端)，未使用的数字输入端不能悬空，需将它们接DVDD或GND。
    4)如果模拟输入信号存在较大的环境噪声，需在模拟输入前端加滤波电路。