基于ADS1278的高精度微应变信号采集系统

莫培旺，王力虎，刘明建，薛志刚

（1.广西师范大学 广西 桂林 541004；2.湖南五舟检测科技有限公司 湖南 湘潭 411101）

微应变信号采集是桥梁振动监测、动态应变测量和压力测量等设备设计的重点。为实现微应变信号的高精度采集，本文基于德州仪器公司的24位高精度工业模拟-数字转换器ADS1278，设计了一个高精度微应变信号采集系统，并给出对应的前端调理电路和数字采集模块。测试结果显示，该系统能有效采集微应变信号。

1 ADS1278简介

1.1 ADS1278特点

ADS1278内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器、FIR数字滤波器、输入多路复用器等功能。可通过内部控制寄存器的不同配置得到不同的A/D采样速率、采样模式、A/D转换精度等，支持高速、高精度、低功耗、低速等4种工作模式[1]。ADS1278可以通过设置相应的输入/输出引脚选择工作模式，不需寄存器编程。其数据输出可选同步或 SPI串行接口[2]，便于连接到 FPGA、DSP及微控制器，适用于对性能、功耗要求高、模拟通道要求多的数据采集系统，如桥梁振动分析、动态应变测量及压力测量设备等。

ADS1278的主要性能有：8通道同时采样测量，高达128 kSPS的数据传输速率，线性相位数字滤波器，SPITM或帧同步串行接口，62 kHz带宽，111 dB信噪比 （高分辨率模式）以及高达108 dB的总谐波失真（THD）等。

图1 ADS1278内部结构框图Fig.1 Internal structure diagram of ADS1278

1.2 ADS1278工作原理

如图1所示为ADS1278内部结构框图，主要由8个独立的ADC并行实现8通道输入信号的数字化，每个ADC由先进的6阶斩波Δ-∑调制器，后接低纹波、线性相位的有限冲积响应 （FIR）数字滤波器构成。调制器检测差分输入信号VIN=（AINP-AINN）， 并与差分参考电压 VREF=（VREFPVREFN）相比较得到一个1秒密度的位流输出，输出的位流经内部的数字滤波器滤波后得到一个低噪声的数字输出。工作时，调制器以高速采样输入信号（典型值输出数据率的64倍），其产生的量化噪声被移入高频带，由内部的数字滤波器滤除。调制器的过采样倍率与工作模式有关 分别可取倍 （高速、低速、低功耗模式）或128倍 （高精度模式）。数字滤波器可对截止频率外的信号衰减100 dB以上，使信号导通带宽在90%的奈奎斯特频率时纹波低于0.005 dB。

1.3 ADS1278接口特性

如图1所示，ADS1278转换后的数据输出采用串行接口，可采用SPI和帧同步两种接口协议。对应SPI和帧同步接口协议，转换后的数据分别通过独立的DOUT引脚以并行数据形式（离散模式）移位输出或通过一个共同的引脚DOUT1（TDM模式）移位输出，协议和数据输出格式的选择由FORMAT[2:0]引脚的输入状态确定。

2 以ADS1278为核心的高精度采样电路

2.1 设计框图

采样电路总体设计框图如图2所示。其中，前端调理电路实现对输入信号VIN的滤波、放大；ADS1278对经滤波、放大的信号实现AD转换[4]；通过FPGA的引脚电平选择实现对ADS1278数据输出的接口类型、接口协议、掉电控制、输出格式、工作模式、主时钟、数据串口传输时钟等配置，并完成数据采集与传输；ARM处理器Cortex-A8主要实现对所采集来的数据进行分析处理。

图2 设计框图Fig.2 Design diagram

2 .2 前端调理电路

ADS1278的前端调理电路如图3所示。采用共模滤波器ZJYS51R5-2P TDK和可编程增益放大器PGA280AIPW对输入信号 VIN进行滤波及放大，其中 CS、SCLK、SDI可以与FPGA相应输入输出端口连接，通过FPGA的配置实现对输入信号 1/8～128（1/8，1/4，1/2，1，2，4，8，...，128）的放大倍数。

图3 前端调理电路Fig.3 Front-end conditioning circuitry

2 .3 数字采集模块

如图2所示，ADS1278接收差分模拟信号，输入信号接到引脚AINP、AINN，AINP为正信号输入端，AINN为负信号输入端[5]。数字地（DGND）与模拟地（AGND）分开布局，然后在ADS1278上通过一个共地点来连接DGND和AGND引脚。

FPGA的 IO_1（IO/LVDS23p）与 ADS1278的掉电控制端口相连接，将IO_1拉低，屏蔽各通道的掉电控制功能。

ADS1278与EP1C12Q240C8之间采用SPI接口实现数据交换，以补码形式输出24位数据，正的满刻度输入时，输出数据编码为7FFFFFH；负的满刻度输入时，输出数据编码为800000H[6]。MODE[1:0]=01，设置成高精度工作模式。TEST[1:0]=00，设置ADS1278处于正常工作模式。

ADS1278无需启动信号，只要通电即开始转换，可在任何需要的时候通过查询引脚为低电平时取走数据。在SPI串行时钟SCLK的时序下，FPGA从ADS1278的DOUT1引脚一位一位地读取，并首先存储在SRAM1芯片。当SRAM1存储满数据，FPGA内部总线允许ARM处理器取走数据；与此同时，FPGA继续从ADS1278的DOUT1引脚一位一位地读取，而数据存储在SRAM2芯片上；当SRAM2芯片存储满数据时，ARM处理器转而从SRAM2通过FPGA总线取走数据，FPGA继而又把从ADS1278读取来的数据存储在SRAM1......，如此周而复始，实现数据流不间断、无缝传输。即所谓的双RAM乒乓数据存储原理。

3 测试结果

如图4所示，输入信号为1/4桥电路的差分微应变模拟信号，其中，R1为应变片等效电阻，R2=R3=R4=120 Ω，均为精度达千分之一的精密电阻，保证能检测到应变片产生微变时所引起的信号。当应变片无形变时，R1的理论阻值为120 Ω，电桥处于平衡状态；当应变片发生形变时，电桥失衡，产生差分微应变模拟信号VIN，其值如下

为校验所设计采集系统的可行性，我们使应变片先后在53、63、76、86、104秒时发生不同程度的形变， 理论计算得到的电桥输出电压约为2×10-3、4×10-3，图5则是上述采样系统的实测输出。可见，该系统以高精度模数转换器ADS1278为核心，可实现对应变片发生微小形变所产生信号的精确转换和采集，具有非常高的精度。

图4 输入信号为1/4电桥的差分微应变模拟信号示意图Fig.4 Schematc diagram of input signal is 1/4 bridge differential micro-strain

图5 采样得到的微应变信号波形Fig.5 Micro-strain signal wave from sampled

4 结束语

ADS1278是基于Δ-Σ技术的高精度高性能的工业级模数转换器，具有众多优点，经过合理的设计，可应用于对性能、精度要求高、模拟通道要求多的各种数据采集系统。本文以ADS1278为核心设计的微应变信号采集电路，已成功应用于桥梁振动检测等产品。

[1]Texas Instruments incorporated.ADS1278 data sheet（BURRBROWN）-Soiseek.cn[EB/OL]. [2013-3-20].http://www.soiseek.cn/BURR-BROWN/ADS1278/

[2]朱康生，洪赢政，黄斌.ADS1278在高精度数据采集系统中的应用[J].电子设计工程，2009，17（4）：24-28.

ZHU Kang-sheng，HONG Ying-zheng，HUANG Bin.Application of high precision ADS1278 in data acquisition system[J].Electronic Design Engineering，2009，17（4）:24-28.

[3]黄争.数据转换器应用手册——基础知识篇[M].北京：电子工业出版社，2010.

[4]ADI公司.ADI模数转换器应用笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[5]张志刚.常用A/D、D/A器件手册[M].北京：电子工业出版社，2008.

[6]刘书明.高性能模数与数模转换器件[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.