基于AD7175-2的高精度数据采集系统设计与实现

严小明，谭建宇，谢 明

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



基于AD7175-2的高精度数据采集系统设计与实现

严小明，谭建宇，谢 明

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

针对当前数据采集系统要求精度高的问题，设计了一种基于AD7175-2和STM32F103型单片机构成的高精度数据采集系统。该设计分为硬件部分和软件部分，硬件部分由AD7175-2模数转换芯片和相应的外围硬件电路构成，软件部分采用SPI三线通信方式，STM32F103型单片机作为主控芯片进行控制。通过对直流电压信号进行数据采集并分析，由实验结果证明，该数据采集系统在采样速率低于200 SPS时，对电压信号有效转换精度高达22 bit。

AD7175-2；数据采集；高精度；硬件电路

在现代电子测量、温度和压力测量、生物医学等领域, 经常涉及到模拟信号的采集工作, 而模拟信号的采集精度, 一定程度上决定着整个系统的综合指标。本文采用了一款24位高精度模数转换芯片AD7175-2，其具有低噪声、快速建立、多路复用、适合低带宽输入的特点。讨论了基于AD7175-2构成的高精度数据采集系统设计思想和实现方案。另实验证明该系统完全满足高精度数据采集的要求。

1 硬件设计

1.1 AD7175-2简介

AD7175-2是一款24位高精度模数转换芯片，该芯片内部由通用输入输出端口、可编程数字滤波器、时钟发生器、SPI接口等组成。支持2路全差分或4路单端输入，输出数据速率范围为5 Sample·s-1～250 kSample·s-1。集成了关键的模拟和数50/60 Hz同步抑制，用户可对噪声、建立时间和抑制性能之间进行优化[1]。器件采用5 V AVDD1或 AVDD1/AVSS、2～5 V AVDD2以及 电源供电。 接口用于AD7175-2和外部处理器之间进行串行通信。

1.2 系统工作原理

完整的数据采集系统是由：功能选择模块、电源模块、信号调理电路、电压基准电路、模数转换电路以及单片机逻辑控制电路等组成。功能选择模块主要是选择采集系统实现哪种功能，比如添加滤波、调整采集速率等。电源模块主要为每个部分提供电源，信号调理电路主要对被测信号进行放大、滤波等处理。电压基准电路主要为A/D芯片提供电压基准。模数转换模块则是将模拟信号转换为数字信号。

1.3 AD转换电路

AD7175-2的采样精度较大程度上取决于基准电压的噪声电平的大小。设有效采样精度为X，基准电压为Vref，基准电压噪声为VX[2]，则有

(1)

本设计最高有效采样精度为22位，即X=22，采用2.5 V作为基准电压时，VX=1.2 μV，而采用5 V作为基准电压时，VX=2.4 μV。AD7175-2内部自带一个2.5 μV的电压基准，但随着负载的变化，内部基准电压会发生微小的偏移，无法提供稳定的电压[3]。因此本文采用ADR445作为电压基准源，输出电压为5 V，VX=2.4 μV。而ADR445在0.1～10 Hz的情况下，电压噪声仅有 峰峰值[5]，能满足系统要求。基准电压输入采用差分输入形式，消除输入信号中的共模噪声，REF+和REF-引脚去耦至模拟地(AVSS)。为得到更高精度、更低抖动的时钟源，笔者使用Epson-Toyocom的16 MHz晶振为AD7175-2提供时钟信号。采用AD7175-2实现高精度数据采集系统的原理图如图1所示。

图1 数据采集系统的原理图

1.4 电源电路

AD7175-2有3个独立的电源引脚:AVDD1、AVDD2和IOVDD。AVDD1集成的模拟与基准输入缓冲器供电，AVDD2为内部1.8 V模拟LDO稳压器供电，IOVDD则为内部1.8 V数字LDO稳压器供电。电源供电分为模拟供电和数字供电两个部分，采用独立的电源芯片对ADC部分供电。本次设计用两片ADP7118，一片提供3.3 V为IOVDD供电，另一片提供5 V为AVDD1和AVDD2供电。IOVDD通过10 μF和0.1 μF电容并联将去耦至数字地 。而AVDD1和AVDD2通过10 μF和0.1 μF电容并联将去耦至AVSS。如图2所示，3.3 V供电。

图2 3.3 V电源供电

ADP7118是一款CMOS、低压差(LDO)线性稳压器，ADP7118输出电压可调节，公式为

(2)

设计3.3 V供电时，R201为17.4 kΩ ，R202为10 kΩ。5 V供电只需修改R201和R202的比值。在正常工作条件下，利用EN引脚使能和禁用Vout引脚。EN为高电平时，Vout开启；EN为低电平时，Vout关闭。为降低电路对PCB布局布线的敏感性，需在9 V供电和地之间连接一个2.2 μF电容。

1.5 信号调理电路

前置放大器的噪声系数对整个数据采集系统的噪声特性有着决定性作用，系统可检测的最小信号取决于低噪声放大器的噪声系数，因其所产生的噪声会被后续各级放大器进一步放大。通过噪声指标等多方面对比，文中采用了ADI公司推出的AD8629低噪声自稳零放大器，温漂0.002 μV/℃，最大失调电压5 μV，最大输入偏置电流200 pA，电压噪声仅有0.5 μVp-p。相比普通运放，在实现微伏级信号检测时是非常有利的。调理电路前端 作为电压跟随器，起着电压隔离缓冲作用， 是多路复选器，在单片机的控制下，接通不同的电阻，可实现对输入信号可控的1、10、100倍的放大，从而使输入信号达到ADC量化的最佳区间，以提高采集系统的动态范围和灵敏度。设计中主要考虑到电阻温漂和精度对输入信号的影响，最终采用了RX70军工级采样电阻，温漂只有5 ppm，精度万分之一。U20B是由AD8629构成的一个驱动容性负载的缓冲器，在这个电路中电容C21是用来抵消C22产生的附加零点和极点，C21产生的零点频率和C22产生的极点频率相一致，C21产生的极点频率和C22产生的零点频率相一致，因此整个传递函数的相频响应并不起作用，解决了运放稳定性问题。信号调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路

2 软件设计

图4 软件流程图

3 实验结果

为验证本系统的有效精度，本文使用RX70 0.01%型高精度电阻和KEYSIGHT N8756A直流电压源作为标准电压输入，通过GPIB输入指令，使其输出较为精准的电压值。同时用KEITHLEY 2010型7位半位数字万用表作为监测。稳定性实验中在相同环境下测试，室温25 ℃，信号发生器给出稳定电压1 V，每隔5 min采样一次，数据采集系统测得电压关系如表1所示。

表1 稳定性实验

设有效值分辨率为Vp，满幅输入电压为Vin，有效值噪声位VRMS，则有

(3)

满幅输入电压为10 V，由表1可见，数据采集系统的采集精度较高，有效采集精度高于22 bit。另实验证明，在选择提高采样速率约为1.5 kSample·s-1时，采样速率仍高达18 bit。此外，在直流电压源给出相同电压，且其他条件不变的情况下，每隔3 h采集一次，连续采集两天，采集精度依然能保持在22 bit以上，可见系统稳定性较好。

4 结束语

本文重点阐述基于AD7175-2和STM32F103型单片机构成的高精度数据采集系统硬件电路设计，另实验验证该数据采集系统具有很高的采样精度，在采样速率为200 Sample·s-1时，其有效采样精度高达22 bit。在提高采样速率为1.5 kSample·s-1时，有效采样精度仍有18 bit。该系统结构稳定，采集精度高，能满足绝大多数的高精度数据采集要求，有着良好的应用前景。

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Design and Implementation Based on the AD7175-2 High-Precision Data Acquisition System

YAN Xiaoming，TAN Jianyu，XIE Ming

(School of optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In view of situation that current data- collection systems need high-precision performance, this paper designed a high precision data- collection systems, based on AD7175-2 and STM32F103 single chip microcomputer. The system is divided into hardware module and software module. The former is constructed by AD7175-2 analog-digital conversion chip and its corresponding peripheral hardware circuit, the latter adopts the three-wire communication mode, considering STM32F103 as the main control chip. Through the data collecting and analysis of DC voltage signals, the results of experiment show that the sampling rate of the system in is less than 200SPS, and the effective conversion of the voltage signal accuracy is up to 22bit.

AD7175-2; data collection; hardware circuit; high-precision

2016- 01- 21

沪江基金资助项目(B1402/D1402)

严小明(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：低压测试，高精度数据采集。谢明(1973-)，男，讲师。研究方向：新能源电能变换技术。谭建宇(1991-)男，硕士研究生。研究方向：电力电子技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.018

TP274+.2

A

1007-7820(2016)11-059-04