用高分辨率A/D芯片的微弱信号采集试验

张守伟　臧德福　张付明　刘树勤

(中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营　257096)

用高分辨率A/D芯片的微弱信号采集试验

张守伟臧德福张付明刘树勤

(中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营257096)

摘要：随着测井领域对信号采集精度的要求越来越高，以高分辨率ADS1282芯片为核心、采用ARM7微控制器LPC214x芯片，设计了弱信号采集电路板，并在试验室环境下进行了弱信号采集试验。试验过程采用吉时利6221电流源为标准信号源，产生模拟信号；由吉时利2182A纳伏表实时测量模拟信号得到真实值；利用采集电路板测量模拟信号，得到测量数据后，与真实值进行对比分析。由测试结果可知， ADS1282芯片存在极其微小的零点漂移，所设计的采集电路板可实现纳伏级信号的采集。

关键词：模数转换信号采集测试ADS1282ARM7SPI通信零点漂移

0引言

TI公司的模数转换芯片ADS1282可实现32位转换数据输出，具有超高分辨率、低噪声可编程放大器(PGA)等特点，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[1]。在测井领域，过套管电阻率测井的测量信号电平非常低，幅值在纳伏级[2-3]。ADS1282芯片具备对纳伏级信号的分辨能力，已成功应用于过套管测井进行极微弱信号采集，如俄罗斯ECOS过套管测井仪核心A/D芯片。

因ADS1282针对专用领域设计，在一般工业应用中较少;而在测井领域，随着对信号采集精度要求的增高，对ADS1282的应用推广更为迫切。为了使这种高分辨率A/D芯片更广泛地应用于测井系统，对ADS1282进行了电路开发，编制了单片机程序和上位机测试软件，并进行小信号采集试验；对标准信号的输入值和A/D芯片的模数转换值进行对比；最终在试验室环境下测试ADS1282对微弱信号的采集能力。

1试验方案设计

测试软件由PC运行，PC主机与信号采集板以串口RS-232方式通信，采用主从模式实现采集数据的上传。电流源设备提供标准的直流电流信号，电流源外接取样电阻形成电流闭合回路，在取样电阻上得到电压值，电压值由纳伏表和信号采集板同时测量。纳伏表实现高精度监测所输入的电压值、由测试软件显示ADS1282测量电压值。对显示的电压值(测量值)和纳伏表显示数据(真实值)输入Excel作散点图，并进行分析对比。试验过程中，不同设备之间的连接如图1所示。

吉时利6221电流源在直流模式输出时能提供0.0001 nA～100 mA电流信号，端子外接电阻R=1 Ω，并取得与电流数值相等的电压值。2182A纳伏表的最小显示位为1 nV，由它实时测量取样电阻的电压值。在试验测量过程中，6221电路源和2182A纳伏表配套使用。取样电压受外接电阻精度的影响，使得6221的面板电流显示值和2182A的面板电压显示值存在一定数值误差。本次试验取样电阻的误差不在考虑范围之内，其最终目的是对比信号采集板ADS1282转换值和2182A纳伏表面板电压显示值，验证信号采集板对弱信号的测试能力。

图1　试验连接方案图

2采集电路设计

信号采集板以芯片ADS1282为核心，采用LPC214x系列处理器，并在此处理器上编制单片机程序，以完成模拟信号采集和数据上传。ADS1282在选型时，常温芯片和高温芯片除耐温、封装不同之外，具有相同的其他性能参数。因此，针对试验室内的常温试验，ADS1282选型为常温芯片。

ADS1282最小系统由3个部分构成，分别是SPI通信、模拟信号输入及参考源设计。这3个部分的设计方案会影响信号的测量精度，方案设计应在噪声消除、信号调理等方面进行重点考虑。采集电路系统框图如图2所示。

图2　ADS1282采集电路最小系统图

2.1SPI通信

LPC214x是ARM7TDMI-S系列32位微处理器，具备硬件SPI端口[4]。SPI端口和ADS1282芯片的SPI端口直接建立硬件连接，即在电路设计中把LPC214x芯片SPI总线时钟SCK引脚、MISO引脚、MOSI引脚分别与ADS1282时钟引脚SCLK、DOUT引脚、DIN引脚相连。LPC214x芯片输入时钟Fosc=11.059 2 MHz，ADS1282输入时钟fclk为4.096 MHz。SPI通信时要对LPC214x端口进行分频，使硬件SPI端口的通信时钟(SCK)保持在fclk/16～fclk/2的范围内。通信时，LPC214x为主机。由主机提供时钟，实施A/D芯片内部寄存器数据的读出和配置字写入、测量数据的读出等操作。在数据采集过程中，ADS1282配置为数据连续输出模式，使得ADS1282数据转换完毕后DRDY引脚置低，LPC214x以中断方式进行编程，以实现读数据响应速度最快。

ADS1282模数转换的稳定性会受数字通信端口和外接设备控制总线的干扰。为减少A/D芯片所受高速处理器系统的数字噪声干扰，A/D芯片与处理器系统采用了隔离措施，并对A/D输入时钟也进行了隔离，隔离芯片采用了线性变压器ADUM1201[5-6]。另外，为了减小隔离芯片会出现的微弱噪声，ADUM1201和A/D端口又添加47 Ω电阻进行阻抗匹配。通过这些隔离措施，保证了ADS1282模数转换状态稳定和高速数据通信时的数据正确性。

2.2模拟信号输入

通过回路电阻，把外部模拟信号转换为差分信号，然后采取高频滤波、过流阻抗匹配、过压保护等措施，把模拟信号输入到芯片的差分端口。

芯片模拟电源VCC为±2.5 V，具备2路差分方式输入的模拟信号输入端口。模拟信号以差分方式输入，为防止瞬间高压对测量系统的影响，信号输入端(AIN+、AIN-)接入防雷击抗干扰TVS二极管。模拟信号通过R1、R2形成电流回路，并取得差分电压信号。R3、R4、C2、C3构成滤波网络，去除高频干扰。R5、R6和4个二极管保护输入端口，确保模拟信号输入电流在安全限值之内，且输入电压不超出±2.5 V的范围。

数字电源为3.3 V，为芯片的数字功能模块提供电源。ADS1282没有模拟地， A/D芯片的最小系统不须考虑数字地和模拟地的共地问题。

2.3模拟信号参考源

通过稳压芯片，向A/D芯片提供稳定的参考电压基准，以确保A/D模数转换过程中基准信号的稳定性[7-8]。电压基准电路采用了ADR441稳压芯片，芯片的正电源为2.5 V，地接入负电源为-2.5 V，实现输出电压Uout和-2.5 V电源的差值(C7两端)的稳定。R7和C6、C5实现基准电源的高频滤波。在供电电源出现波动变化和高频噪声时，这种设计使得C5两端的电压值稳定，噪声较小，最终保证了ADS转换基准电源端口Urefp、Urefn的稳定性。

在以ADS1282为核心的采集系统中，模拟信号输入电路和电压基准电路如图3所示。

图3　模拟信号输入和电压基准电路图

3测试软件

测试软件通过计算机的串口与采集板进行主从模式通信，LPC214x接收测试软件发送的命令后，完成实时采集数据上传及A/D芯片内部寄存器读写等操作。

A/D转换的实时值为4个字节(AD3～AD0)，在测试软件中，通过量程转换得到测量数据的真实值。采集板没有对测量数据进行数字滤波处理，A/D芯片转换完毕后，存储于LPC214x的内存中，等待测试软件读命令后立刻上传。试验记录过程是把一次转换的实时值和纳伏表显示值进行记录并整理。

ADS1282芯片内部具有十多个寄存器，通过寄存器的配置可控制A/D芯片的转换速率、滤波方式、PGA、零点、增益等，测试软件可依据试验状况对寄存器进行配置。采集板上电后，测试软件先读出所有A/D寄存器的内容，依据试验需要对每个寄存器单独写入。其中，config0寄存器有芯片的输出速率、滤波方式等配置， config1寄存器里有模拟信号输入端口配置、PGA增益控制等设置。本次试验对直流弱信号进行采集，对速度、滤波等需求性不高，只须配置PGA为最大值64，即可实现A/D量程为39 mV的测试。其他寄存器都为芯片上电后的默认值。

4弱信号采集试验

测试过程中，把数据点整理到Excel文档，绘制散点图，试验结果如图4所示。图4中，横坐标为真实值(2182A)，纵坐标为测量值(ADS1282采集系统)。

图4　电路的采集值和标准值对比图

针对A/D满量程为39 mV范围的情况，图4(a)～图4(c)可分别代表大信号、弱信号、微弱信号测试结论。从图4(a)可以看出：在20 mV范围内，ADS1282测试值和2182A数值具备良好的对应关系，测量值表征了真实值，坐标原点处看不出AD器件的零点漂移。图4(b)把1 mV以下的测量点展开，可看出1 mV以下的点仍然具备非常好的线性关系，不足之处是ADS1282测量结果出现了0.2 mV的零漂。图4(c)展示了0.01 mV以下的测试点，其离散度较大，但对比二者发现其仍然具备线性关系。

在0.01 mV以下区间测试时，软件显示的ADS1282输出值出现了一定范围频繁跳动，2182A面板显示值也变化剧烈，说明测试环境受试验室的电磁干扰较为严重。图4(c)最小测试点为500 nV，低于500 nV的信号测试很难在现有的试验环境中实现。

任何A/D器件都存在一定的零点漂移，ADS1282在零点漂移和增益寄存器不作修改的情况下(芯片上电默认值)进行测试，转换值存在非常小的零点漂移。试验发现，在进行大信号测量时，器件固有的零点漂移可忽略不计。随着测量信号越来越小，零点漂移的存在使A/D转换值和实际值存在一定的误差；但在进行模拟信号测试时，测量值和实际值仍为线性关系。采集微弱信号时，可以采用2种方法[9]消除零点漂移：①进行刻度，修改ADS1282零点值(OFC寄存器)和增益值(FSC寄存器)，通过测试软件把修改值写入寄存器内；②ADS1282内部寄存器数值保持上电默认值，在上位机软件中进行刻度，通过多次采集并与实际值进行对比，找到零点值和增益值。在后续的A/D采集试验中，上传原始值转换为真值的计算过程并加入零点值和增益值参与计算，可使测量值和实际值一致。

另外，从图4(c)也看出，随着输入信号逐渐变小，试验电磁环境对测量系统的影响较大，试验值和标准值的离散度较大。由于单次转换后提取数据用于记录的效果不佳，为得到测量真值，应采用多次采集求平均值的方法[10]，尽量减小环境噪声对测试结果的影响。

5结束语

通过试验可知，ADS1282在进行直流电测量时存在很微小的零点漂移。在测量较大的输入信号时，零点漂移可以忽略，测量值可表征真实值；在测量弱信号时，测量值与实际值呈线性关系。试验验证了ADS1282芯片在试验室内可实现纳伏级信号的采集，这种性能已经完全满足井下仪器对测试信号的需求。

通过编程开发和试验测试，掌握了ADS1282芯片的开发技术、微弱信号采集技术，可为后续测井仪使用此芯片进行信号采集时的电路设计和编程开发提供参考。

参考文献

[1] 王怀秀，朱国维，王栋．ADS1282及其在单通道地震数据采集单元中的应用[J]．电子设计工程，2010，18(10)：176-179．

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[3] 匡立春，孙中春，周继宏．过套管地层电阻率测井[M]．北京：石油工业出版社，2013．

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[9] 张富华．过套管电阻率测井刻度方法研究[D]．西安：西安石油大学，2014．

[10]梁宇恒．高精度数据采集及DSP+FPGA高速信号处理硬件系统设计[D]．西安：西安电子科技大学，2012．

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

中图分类号：TH86;TP216+.1

文献标志码：A

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

中国博士后科学基金资助项目(编号：2013M541956);

中石化集团公司基金资助项目(编号：JP14043)。

修改稿收到日期：2015-09-22。

第一作者张守伟(1977-)，男，现为胜利油田博士后科研工作站地质资源与地质工程专业在读博士后；主要从事电磁测井理论、测井地面软件开发及仪器研制等方向的研究。