數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集信號(hào)質(zhì)量很大程度上取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選取及使用。為滿足高精度地震數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)一種高集成度、單通道地震數(shù)據(jù)采集單元，該單元可實(shí)現(xiàn)單道地震信號(hào)的拾取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸功能，采用新型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1282進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可獲得高保真度、高信噪比、高分辨率的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)還可以利用其片上的數(shù)據(jù)選擇器及校準(zhǔn)引擎實(shí)現(xiàn)自檢和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，從而保證采集信號(hào)質(zhì)量不隨時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境和條件而變化。利用ADS1282設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化采集單元具有低功耗、小體積、高精度、高分辨率的特點(diǎn)。這里給出ADS1282模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)、工作原理及其在地震數(shù)據(jù)采集單元中的接口設(shè)計(jì)。

1 ADS1282簡(jiǎn)介
1．1 主要特性
    ADS1282是一款針對(duì)工業(yè)應(yīng)用、具有極高性能的32位、△-∑型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。該轉(zhuǎn)換器具有4階、固有穩(wěn)定△-∑調(diào)制器，因此具有優(yōu)良的噪聲和線性特性；該調(diào)制器的輸出既可與片上的數(shù)字濾波器聯(lián)合使用，也可旁路輸出到加速處理濾波器；片上多路選擇器(MUX)既可提供用于測(cè)量的附加的外部輸入，也可與內(nèi)部自檢電路相連；片上可編程放大器(PGA)具有極低的噪聲和高輸入阻抗，易與地震檢波器、水聽器經(jīng)一個(gè)寬范圍的增益連接；數(shù)字濾波器可通過(guò)編程選擇不同的濾波器組合方式；同時(shí)片上具有增益及失調(diào)檢測(cè)寄存器支持系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。ADS12 82的額定工作溫度范圍為-40～+85℃，最大工作范圍可達(dá)+125℃，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。
    ADS1282的主要特性如下：
    1)高分辨率：高精度模式，數(shù)據(jù)輸出率為250 SPS時(shí)信噪比(RSN)達(dá)130 dB，低功耗模式，數(shù)據(jù)輸出率為250 SPS時(shí)信噪比(RSN)達(dá)127 dB；
    2)高精度：總諧波失真(THD)為-122 dB，積分非線性(INL)為O．5 ppm；
    3)低噪聲可編程放大器(PGA)：；
    4)2通道多路選擇輸入(MUX)；
    5)超量程快速檢測(cè)功能的4階、固有穩(wěn)定△-∑調(diào)制器；
    6)靈活的數(shù)字濾波器：可選擇Sinc+FIR+IIR濾波的不同組合方式，其中FIR濾波方式可編程設(shè)置為線性或最小相位響應(yīng)，數(shù)據(jù)輸出率可在250 SPS至4 KSPS之間選擇；
    7)可設(shè)置濾波通帶；
    8)低功耗：高精度模式為25 mW，低功耗模式為17 mW，待機(jī)模式為90μW，掉電模式僅為10μW；
    9)失調(diào)及增益校準(zhǔn)引擎。
1．2 引腳說(shuō)明
    ADS1282采用28引腳TSSOP封裝，其引腳配置如圖l所示。

    CLK：主時(shí)鐘輸入；SCLK：串行時(shí)鐘輸入；DRDY：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好輸出，在其下降沿讀出數(shù)據(jù)：DOUT、DIN：串行數(shù)據(jù)輸出、輸入；MCLK、M1、M0：若工作在調(diào)制器模式，MCLK為調(diào)制器時(shí)鐘輸出，M1、MO為調(diào)制器的數(shù)據(jù)輸出，否則這些引腳不使用，需接固定值；SYNC：同步輸入，用于實(shí)現(xiàn)多芯片同步工作；MFLAG：調(diào)制器超量程標(biāo)志，0表示正常，1表示超量程；DGND：數(shù)字地，該引腳是接地點(diǎn)的核心；CAPN、CA-PP：PGA輸出，在CAPP與CAPN之間需連接一只10 nF的電容；AINP2、AINN2，AINP1、AINN1：正、負(fù)模擬輸入端；AVDD、AVSS：正、負(fù)模擬供電電源，單極性(+5 V)或雙極性(±2．5 V)；VREFN、VREFP：正、負(fù)基準(zhǔn)輸入；：掉電輸入，低電平有效；：復(fù)位輸入，低電平有效；DVDD：數(shù)字供電電源：+1．8～+3．3 V；BYPAS：從校準(zhǔn)輸出：與DGND之間接1μF電容。
1．3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理
    ADS1282的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由多路選擇器(MUX)、可編程增益放大器(PGA)、△-∑調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、增益及失調(diào)校準(zhǔn)引擎、超量程檢測(cè)電路、控制器及SPI串行接口等組成。

    多路選擇器MUX允許5種設(shè)置：輸入1、輸入2、輸入1、2之間短路、400 Ω短路測(cè)試及共模測(cè)試；多路選擇器之后是時(shí)間連續(xù)的差分輸入、差分輸出CMOS可編程增益放大器(PGA)，PGA的增益范圍是1～64，可通過(guò)寄存器設(shè)置。PGA通過(guò)300 Ω的內(nèi)部電阻差分驅(qū)動(dòng)調(diào)制器，在CAPP與CAPN之間需接COG型陶瓷電容以濾除調(diào)制器采樣時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)干擾，外部電容用于反混疊濾波，其轉(zhuǎn)折頻率可由公式fp=1／6．3x600xC計(jì)算。
    ADS1282的調(diào)制器是一個(gè)高性能、固有穩(wěn)定4階△-∑調(diào)制器，為2加2的通道結(jié)構(gòu)，該調(diào)制器在輸入過(guò)載情況下可進(jìn)行預(yù)測(cè)及修復(fù)。調(diào)制器將待測(cè)差分輸入信號(hào)VIN(其中VIN=(AINP-AINN)PGA)與基準(zhǔn)電壓VREF(VREF=VREFP-VREFN)相比較，得到1 s密度的數(shù)據(jù)流，如果輸入驅(qū)動(dòng)超過(guò)調(diào)制器90％但低于100％，調(diào)制器仍保持穩(wěn)定連續(xù)的1 s密度數(shù)據(jù)流，當(dāng)調(diào)制器的輸入超出滿量程范圍時(shí)，調(diào)制器將進(jìn)入穩(wěn)定的飽和狀態(tài)，這時(shí)數(shù)字輸出代碼可能是正滿量程值或負(fù)滿量程值，當(dāng)輸入返回到正常范圍時(shí)，調(diào)制器需要12個(gè)調(diào)制時(shí)鐘周期(fMOD)退出飽和狀態(tài)并返回到線性區(qū)域，數(shù)字濾波器另外需要62個(gè)轉(zhuǎn)換周期才可完全建立數(shù)據(jù)(線性相位FIR濾波)。
    調(diào)制器的數(shù)據(jù)流輸出可直接被訪問(wèn)、旁路并禁止輸入到內(nèi)部數(shù)字濾波器，也可連接到片上的數(shù)字濾波器以提供可讀的輸出代碼。設(shè)置CONFIGO寄存器的位FILTR[1：0]=00，可使調(diào)制器工作在輸出模式，這時(shí)引腳MO、M1變?yōu)檎{(diào)制器的數(shù)據(jù)輸出，MCLK變?yōu)檎{(diào)制器的時(shí)鐘輸出，但不工作在調(diào)制器輸出模式時(shí)，這些引腳為輸入引腳且需接固定值。
    數(shù)字濾波器接收調(diào)制器的輸出并對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行抽取，通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器的數(shù)量，可以在精度和數(shù)據(jù)輸出率之間進(jìn)行折衷，濾波器越多則精度越高，濾波器越少則數(shù)據(jù)輸出率越高。
    數(shù)字濾波器由3個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波器組成：1個(gè)抽取率可調(diào)的、五級(jí)sinc濾波器，1個(gè)具有可編程相位、32倍率抽取的有限沖擊響應(yīng)(FIR)低通濾波器及1個(gè)可編程的、一階高通濾波器(HPF)。數(shù)據(jù)可從這3級(jí)濾波器模塊的任意一級(jí)輸出，若完全不使用片上濾波器，則可選擇濾波器旁路設(shè)置(調(diào)制器輸出)，若部分使用片上濾波器，則可選擇sinc濾波器輸出，表l為濾波器的設(shè)置。

    SYNC信號(hào)輸入將使數(shù)字濾波器及調(diào)制器執(zhí)行復(fù)位操作，允許多個(gè)ADS1282與某個(gè)外部事件同步轉(zhuǎn)換。輸入將使寄存器設(shè)置復(fù)位并重啟轉(zhuǎn)換處理，輸入將使芯片進(jìn)入微功耗狀態(tài)，注意在模式將不保持原寄存器中的設(shè)置，如果希望原寄存器中的設(shè)置不變，可使用待機(jī)(STANDBY)命令進(jìn)行設(shè)置(在待機(jī)模式下靜態(tài)電流會(huì)稍微大一些)。
    ADS1282根據(jù)輸入范圍選擇單電源供電或雙電源供電(AVDD和AVSS相互獨(dú)立)，數(shù)字電源可為1．8～3．3 V，模擬電源可設(shè)置為+5 V以接收單極性信號(hào)或設(shè)置為較低的±2．5 V內(nèi)的雙電源，以接收真正的雙極性輸入信號(hào)。

2 在地震數(shù)據(jù)采集單元中的應(yīng)用
2．1 采集單元的系統(tǒng)構(gòu)成
    該單通道地震數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)方案是在分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上提出的，該數(shù)據(jù)采集單元可實(shí)現(xiàn)單通道地震波信號(hào)的原位數(shù)字化及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信功能，可有效去除模擬信號(hào)傳輸中的干擾信號(hào)，提高地震信號(hào)采集的質(zhì)量，地震信號(hào)的數(shù)據(jù)處理、波形顯示和記錄功能，由控制主機(jī)完成。單通道地震數(shù)據(jù)采集單元的硬件主要由地震信號(hào)傳感器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器、存儲(chǔ)器、電源管理模塊及串行通信接口構(gòu)成，為達(dá)到低功耗、小體積、高精度、高分辨率的設(shè)計(jì)目的，地震信號(hào)傳感器選擇基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的振動(dòng)信號(hào)傳感器ADXL001，微控制器選用高性能、低電壓、16位RISC微控制器MSP430F123，此外，為滿足大數(shù)據(jù)量采集的應(yīng)用需要外擴(kuò)1個(gè)32 KBx8的低功耗FRAM芯片，經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)首先存入FRAM中，然后通過(guò)串行通信接口送到主機(jī)，圖3為單道地震數(shù)據(jù)采集單元的硬件組成框圖，設(shè)計(jì)中將模擬電路和數(shù)字電路分開供電，觸發(fā)電路用于實(shí)現(xiàn)采集與外部震源同步。

2．2 ADS1282的應(yīng)用接口電路
    該數(shù)據(jù)采集單元主要用于陸地勘探，將模擬地震信號(hào)傳感器(簡(jiǎn)稱地震檢波器)拾取的地震波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)串行接口傳送到控制主機(jī)，為了提高采集信號(hào)的質(zhì)量、有效去除環(huán)境造成的噪聲干擾，將傳感器輸出信號(hào)通過(guò)前端濾波網(wǎng)絡(luò)送入ADS1282的模擬輸入端，接入方式采用差模方式。設(shè)計(jì)中為提高勘探精度，保證采集信號(hào)的質(zhì)量不會(huì)隨時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境和條件而變化，ADS1282的另一對(duì)差分輸入端接標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源(信號(hào)源由專門電路產(chǎn)生)，在啟動(dòng)正式數(shù)據(jù)采集之前可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行采集以獲得相應(yīng)的校準(zhǔn)參數(shù)，然后對(duì)ADS1282內(nèi)部的增益及失調(diào)檢測(cè)寄存器進(jìn)行正確設(shè)置。
    圖4為地震信號(hào)傳感器與ADS1282輸入前端的應(yīng)用接口電路，ADS1282采用±2．5 V電源供電。地震信號(hào)傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)R1、R2及C1、C2、C3構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)去除高頻干擾，為保持良好的共模抑制特性，要求R1、R2匹配精度達(dá)到0．1％。電容C3與C1并聯(lián)可有效降低由于兩輸入端C1、C2不匹配引起的共模誤差，當(dāng)C3比C1大10倍時(shí)，可將因C1、C2不匹配造成的共模誤差降低20倍。

    ADS1282是高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，要獲得最佳性能在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將微控制器、振蕩器等噪聲較大的數(shù)字元件與轉(zhuǎn)換器、模擬前端分開放置，將數(shù)字元件放置在靠近電源輸入側(cè)以保持盡可能短的數(shù)字電流路徑，并與敏感的模擬元件分離。箝位二極管用于保護(hù)ADS1282的輸入信號(hào)瞬時(shí)超載，當(dāng)輸入信號(hào)電平可能超出內(nèi)部ESD二極管的額定值時(shí)該箝位二極管可對(duì)輸入提供保護(hù)。
    REF5025為ADS1282提供基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)輸出通過(guò)R5、C7濾波，電容C8為基準(zhǔn)輸入信號(hào)提供高頻旁路功能，應(yīng)將C8放置在靠近ADS1282的引腳端。R3、R4與內(nèi)部300 Ω電阻形成分壓電路為ADS1282提供失調(diào)電壓，該失調(diào)可從通帶中除去低電平無(wú)用分量，注意該失調(diào)與PGA的設(shè)置是獨(dú)立的，該失調(diào)電阻同樣導(dǎo)致小的附加增益誤差。為了保持良好的共模抑制特性，R3、R4匹配精度應(yīng)達(dá)到0．1％，且布線時(shí)直接連接到基準(zhǔn)輸入端。
    電容C4用于濾除PGA輸出的瞬時(shí)干擾信號(hào)，該干擾信號(hào)是由于調(diào)制器采樣引起的，該電容同樣對(duì)輸入信號(hào)形成一個(gè)低通濾波器，具有25 kHz的截頻。

3 數(shù)據(jù)輸出接口電路
    ADS1282通過(guò)串行接口讀出轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并訪問(wèn)設(shè)置寄存器，ADS1282以二進(jìn)制補(bǔ)碼的格式提供32位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，其中最高位是符號(hào)位，‘0’表示是正數(shù)，‘1’表示是負(fù)數(shù)。
    ADS1282的串行接口是3線制SPI接口，它包括3個(gè)基本信號(hào)：SCLK、DIN及DOUT。當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好用于回讀時(shí)，可利用信號(hào)作為判斷標(biāo)志，為輸出信號(hào)，當(dāng)其變?yōu)榈碗娖綍r(shí)表示新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好。
    數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿移入DIN，而在SCLK的下降沿移出DOUT，若SCLK保持為低電平達(dá)64個(gè)周期，則數(shù)據(jù)傳輸或命令輸入將終止且SPI接口復(fù)位，下一個(gè)SCLK脈沖將啟動(dòng)一個(gè)新的通信周期。當(dāng)傳輸中斷或SCLK意外失效時(shí)可利用這一間歇特性恢復(fù)接口，當(dāng)SCLK無(wú)效時(shí)需保持低電平。
    圖5為MSP430F123與ADS1282的數(shù)據(jù)傳輸及控制接口電路，圖中R1～R2取值為47 Ω，為了去除數(shù)字信號(hào)帶來(lái)的于擾，在布線時(shí)這些電阻應(yīng)放置在發(fā)出信號(hào)的一側(cè)，例如信號(hào)是微處理器發(fā)出的，R1應(yīng)放置在靠近MSP430F123的引腳附近，而DOUT信號(hào)是由ADS1282發(fā)出的，則R4應(yīng)靠近DOUT引腳放置。

4 結(jié)束語(yǔ)
    ADS1282是高集成度的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用其片上提供的多路選擇器、可編程增益放大器、數(shù)字濾波器及增益、失調(diào)校準(zhǔn)引擎，不僅可簡(jiǎn)化采集系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、降低功耗，同時(shí)可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想選擇。但ADS1282是基于△-∑技術(shù)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，存在較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)建立時(shí)間及通道延遲，只適合單通道、單A／D數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，要獲得理想的采集精度，需對(duì)其內(nèi)部的濾波器和校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行正確設(shè)置，同時(shí)需在輔助電路、印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)時(shí)注意以下幾點(diǎn)：
    1)在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將微控制器、振蕩器等噪聲較大的數(shù)字元件與轉(zhuǎn)換器、模擬前端分開放置，將數(shù)字元件放置在靠近電源輸入側(cè)以保持盡可能短的數(shù)字電流路徑，并與敏感的模擬元件分離。
    2)將模擬電源與數(shù)字電源分開供電，布線時(shí)模擬地AGND和數(shù)字地DGND僅在一點(diǎn)處連接。
    3)為避免數(shù)字輸入時(shí)產(chǎn)生的紋波，在布線時(shí)可串接50 Ω左右的小電阻，并將電阻放置在信號(hào)源端(驅(qū)動(dòng)端)，未使用的數(shù)字輸入端不能懸空，需將它們接DVDD或GND。
    4)如果模擬輸入信號(hào)存在較大的環(huán)境噪聲，需在模擬輸入前端加濾波電路。