基于AD7175-2的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

嚴小明，譚建宇，謝 明

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

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基于AD7175-2的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

嚴小明，譚建宇，謝 明

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

針對當前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求精度高的問題，設(shè)計了一種基于AD7175-2和STM32F103型單片機構(gòu)成的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該設(shè)計分為硬件部分和軟件部分，硬件部分由AD7175-2模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和相應(yīng)的外圍硬件電路構(gòu)成，軟件部分采用SPI三線通信方式，STM32F103型單片機作為主控芯片進行控制。通過對直流電壓信號進行數(shù)據(jù)采集并分析，由實驗結(jié)果證明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采樣速率低于200 SPS時，對電壓信號有效轉(zhuǎn)換精度高達22 bit。

AD7175-2；數(shù)據(jù)采集；高精度；硬件電路

在現(xiàn)代電子測量、溫度和壓力測量、生物醫(yī)學等領(lǐng)域, 經(jīng)常涉及到模擬信號的采集工作, 而模擬信號的采集精度, 一定程度上決定著整個系統(tǒng)的綜合指標。本文采用了一款24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7175-2，其具有低噪聲、快速建立、多路復(fù)用、適合低帶寬輸入的特點。討論了基于AD7175-2構(gòu)成的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計思想和實現(xiàn)方案。另實驗證明該系統(tǒng)完全滿足高精度數(shù)據(jù)采集的要求。

1 硬件設(shè)計

1.1 AD7175-2簡介

AD7175-2是一款24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)部由通用輸入輸出端口、可編程數(shù)字濾波器、時鐘發(fā)生器、SPI接口等組成。支持2路全差分或4路單端輸入，輸出數(shù)據(jù)速率范圍為5 Sample·s-1～250 kSample·s-1。集成了關(guān)鍵的模擬和數(shù)50/60 Hz同步抑制，用戶可對噪聲、建立時間和抑制性能之間進行優(yōu)化[1]。器件采用5 V AVDD1或 AVDD1/AVSS、2～5 V AVDD2以及 電源供電。 接口用于AD7175-2和外部處理器之間進行串行通信。

1.2 系統(tǒng)工作原理

完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由：功能選擇模塊、電源模塊、信號調(diào)理電路、電壓基準電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及單片機邏輯控制電路等組成。功能選擇模塊主要是選擇采集系統(tǒng)實現(xiàn)哪種功能，比如添加濾波、調(diào)整采集速率等。電源模塊主要為每個部分提供電源，信號調(diào)理電路主要對被測信號進行放大、濾波等處理。電壓基準電路主要為A/D芯片提供電壓基準。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊則是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

1.3 AD轉(zhuǎn)換電路

AD7175-2的采樣精度較大程度上取決于基準電壓的噪聲電平的大小。設(shè)有效采樣精度為X，基準電壓為Vref，基準電壓噪聲為VX[2]，則有

(1)

本設(shè)計最高有效采樣精度為22位，即X=22，采用2.5 V作為基準電壓時，VX=1.2 μV，而采用5 V作為基準電壓時，VX=2.4 μV。AD7175-2內(nèi)部自帶一個2.5 μV的電壓基準，但隨著負載的變化，內(nèi)部基準電壓會發(fā)生微小的偏移，無法提供穩(wěn)定的電壓[3]。因此本文采用ADR445作為電壓基準源，輸出電壓為5 V，VX=2.4 μV。而ADR445在0.1～10 Hz的情況下，電壓噪聲僅有 峰峰值[5]，能滿足系統(tǒng)要求。基準電壓輸入采用差分輸入形式，消除輸入信號中的共模噪聲，REF+和REF-引腳去耦至模擬地(AVSS)。為得到更高精度、更低抖動的時鐘源，筆者使用Epson-Toyocom的16 MHz晶振為AD7175-2提供時鐘信號。采用AD7175-2實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理圖

1.4 電源電路

AD7175-2有3個獨立的電源引腳:AVDD1、AVDD2和IOVDD。AVDD1集成的模擬與基準輸入緩沖器供電，AVDD2為內(nèi)部1.8 V模擬LDO穩(wěn)壓器供電，IOVDD則為內(nèi)部1.8 V數(shù)字LDO穩(wěn)壓器供電。電源供電分為模擬供電和數(shù)字供電兩個部分，采用獨立的電源芯片對ADC部分供電。本次設(shè)計用兩片ADP7118，一片提供3.3 V為IOVDD供電，另一片提供5 V為AVDD1和AVDD2供電。IOVDD通過10 μF和0.1 μF電容并聯(lián)將去耦至數(shù)字地 。而AVDD1和AVDD2通過10 μF和0.1 μF電容并聯(lián)將去耦至AVSS。如圖2所示，3.3 V供電。

圖2 3.3 V電源供電

ADP7118是一款CMOS、低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器，ADP7118輸出電壓可調(diào)節(jié)，公式為

(2)

設(shè)計3.3 V供電時，R201為17.4 kΩ ，R202為10 kΩ。5 V供電只需修改R201和R202的比值。在正常工作條件下，利用EN引腳使能和禁用Vout引腳。EN為高電平時，Vout開啟；EN為低電平時，Vout關(guān)閉。為降低電路對PCB布局布線的敏感性，需在9 V供電和地之間連接一個2.2 μF電容。

1.5 信號調(diào)理電路

前置放大器的噪聲系數(shù)對整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的噪聲特性有著決定性作用，系統(tǒng)可檢測的最小信號取決于低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，因其所產(chǎn)生的噪聲會被后續(xù)各級放大器進一步放大。通過噪聲指標等多方面對比，文中采用了ADI公司推出的AD8629低噪聲自穩(wěn)零放大器，溫漂0.002 μV/℃，最大失調(diào)電壓5 μV，最大輸入偏置電流200 pA，電壓噪聲僅有0.5 μVp-p。相比普通運放，在實現(xiàn)微伏級信號檢測時是非常有利的。調(diào)理電路前端 作為電壓跟隨器，起著電壓隔離緩沖作用， 是多路復(fù)選器，在單片機的控制下，接通不同的電阻，可實現(xiàn)對輸入信號可控的1、10、100倍的放大，從而使輸入信號達到ADC量化的最佳區(qū)間，以提高采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍和靈敏度。設(shè)計中主要考慮到電阻溫漂和精度對輸入信號的影響，最終采用了RX70軍工級采樣電阻，溫漂只有5 ppm，精度萬分之一。U20B是由AD8629構(gòu)成的一個驅(qū)動容性負載的緩沖器，在這個電路中電容C21是用來抵消C22產(chǎn)生的附加零點和極點，C21產(chǎn)生的零點頻率和C22產(chǎn)生的極點頻率相一致，C21產(chǎn)生的極點頻率和C22產(chǎn)生的零點頻率相一致，因此整個傳遞函數(shù)的相頻響應(yīng)并不起作用，解決了運放穩(wěn)定性問題。信號調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路

2 軟件設(shè)計

圖4 軟件流程圖

3 實驗結(jié)果

為驗證本系統(tǒng)的有效精度，本文使用RX70 0.01%型高精度電阻和KEYSIGHT N8756A直流電壓源作為標準電壓輸入，通過GPIB輸入指令，使其輸出較為精準的電壓值。同時用KEITHLEY 2010型7位半位數(shù)字萬用表作為監(jiān)測。穩(wěn)定性實驗中在相同環(huán)境下測試，室溫25 ℃，信號發(fā)生器給出穩(wěn)定電壓1 V，每隔5 min采樣一次，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得電壓關(guān)系如表1所示。

表1 穩(wěn)定性實驗

設(shè)有效值分辨率為Vp，滿幅輸入電壓為Vin，有效值噪聲位VRMS，則有

(3)

滿幅輸入電壓為10 V，由表1可見，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集精度較高，有效采集精度高于22 bit。另實驗證明，在選擇提高采樣速率約為1.5 kSample·s-1時，采樣速率仍高達18 bit。此外，在直流電壓源給出相同電壓，且其他條件不變的情況下，每隔3 h采集一次，連續(xù)采集兩天，采集精度依然能保持在22 bit以上，可見系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)束語

本文重點闡述基于AD7175-2和STM32F103型單片機構(gòu)成的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，另實驗驗證該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的采樣精度，在采樣速率為200 Sample·s-1時，其有效采樣精度高達22 bit。在提高采樣速率為1.5 kSample·s-1時，有效采樣精度仍有18 bit。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采集精度高，能滿足絕大多數(shù)的高精度數(shù)據(jù)采集要求，有著良好的應(yīng)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

滬江基金資助項目(B1402/D1402)

嚴小明(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：低壓測試，高精度數(shù)據(jù)采集。謝明(1973-)，男，講師。研究方向：新能源電能變換技術(shù)。譚建宇(1991-)男，碩士研究生。研究方向：電力電子技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.018

TP274+.2

A

1007-7820(2016)11-059-04