AD976及其在三分量智能检波器中的应用

　　摘要：介绍了快速、低功耗模数转换器件AD976的主要特点、引脚功能及转换模式，给出了AD976在三分量智能检波器中的应用实例。

　　关键词：AD976;多通道采集;三分量智能检波器

　　数据采集系统中的采集信号能否满足要求，在很大程度上取决于模数转换器的选取及使用。为了满足三分量智能检波器设计中多通道、高分辨率、高采样率的性能要求，通过多方比较，笔者选用了适合要求的模数转换器AD976，并采用相应的设计技巧达到了多通道快速数据采集的要求。

　　1　AD976芯片介绍

　　1.1 AD976的特点

　　AD976是AD公司生产的模数转换器，

它是采用电荷重分布技术的逐次逼近型模数转换器，其结构比传统逼近型ADC简单，且不再需要完整的模数转换器作为核心。由于电容网络直接使用电荷作为转换参量，而且这些电容已经达到了采样电容的作用，因而不必另加采样保持器。特别是由于使用电容网络代替电阻网络，消除了电阻网络中因温度变化及激光修调不当所引起的线性误差。AD976的内部校准功能可在用户不做任何调整的情况下，消除芯片内部的零位误差和由于电容不匹配造成的误差。AD976的主要特点如下：

 

　　●带有高速并行接口;

　　●最高采样速率可达100kSPS，同型号的AD976A的采样速率可达200kSPS;

　　●功耗低，采用单5V电源供电，最大功耗仅为100mW;

　　●精度高，具有16位分辨率，其最大积分非线性误差仅为2LSB，并可做到16位不失码;

　　●可选内部或外部的2.5V参考电源;

　　●带有片上时钟。

　　1.2 内部结构和引脚说明

　　图1是AD976的内部结构框图，该芯片内含逐次逼近型、开关电容式ADC、高速并行接口、转换控制逻辑、校准电路及2.5V内部参考源。

　　图2是AD976的引脚排列，其主要引脚功能如下：

　　D0～D15：16位数据转换结果输出引脚;

 

　　VIN：模拟电压输入，输入电压范围为±10V;

　　REF：参考电压输入/输出引脚，该引脚可接内部的2.5V参考电压，也可选用外部的参考源。通常需在AGND1和REF引脚之间连接一个2.2μF的钽电容;

　　CAP：参考缓冲输出，在CAP和AGND2引脚之间也需连接一2.2μF的钽电容;

　　VANA：模拟电源引脚，通常接+5V;

　　AGND1：模拟地，用于REF引脚的参考点;

　　AGND2：模拟地;

　　VDIG：数字电源引脚，通常接+5V;

　　DGND：数字地;

　　R/ C：读/转换输入，当CS引脚为低电平时，可在R/ C引脚的下降沿使内部采样/保持器进入保持状态并起动一次转换;

　　CS：片选信号输入，当R/ C引脚为低电平时，可在CS引脚的下降沿起动一次转换;当R/ C引脚为高电平时，在CS引脚的下降沿输出数据位有效;当CS引脚为高电平时，输出数据位将呈高阻状态;

　　BUSY：状态输出;

　　BYTE：字节选择引脚，BYTE为低电平时，6～13引脚上的数据为高字节，15～22引脚上的数据为低字节;当BYTE为高电平时，6～13引脚上的数据为低字节，15～22引脚上的数据为高字节。

　　1.3 AD976的转换控制和时序

　　AD976有两种转换模式，第一种转换模式的时序如图3所示。在这一模式中，CS引脚固定为低电平，转换时序由R/ C信号的负跳变控制，该信号脉冲宽度至少应为50ns。当R/ C变为低电平并延迟t3后，BUSY信号将变为低电平直到转换完成。转换结束后，移位寄存器中的数据将被新的二进制补码数据所更新。该模式下的采样速率可由R/ C信号的负脉冲间隔来决定即图3中的t13 。

　　第二种转换模式的时序如图4所示。该模式通过R/ C信号来控制转换及输出数据的读出过程。在这一模式中，R/ C信号的下降沿必须比CS脉冲(脉冲宽宽40ns)至少提前10ns送到模数转换器的输入引脚，一旦这两个负脉冲到来，并延迟t3后，BUSY信号将变为低电平直到转换完成，同时将在最多8μs(100kSPS时)后将BUSY信号返回高电平，这时，转换结果在D0～D15上的数据有效。

　　2　在三分量智能检波器中的应用

　　2.1 信号调理及AD的连接

　　在三分量智能检波器的设计中，笔者使用AD976来完成模数转换。同时，在设计中，为了节约成本及空间，在数据采集中采用多通道共用一个ADC的方式。模拟输入信号来自三个分量的检波器，其中一个分量用于拾取纵波信号，另两个分量用于拾取横波信号。由于检波器拾取信号的大小与震源、地质结构等因素有关，因此，信号的动态范围一般较大，弱信号可低至微伏级，强信号可达到伏级。为了适应宽动态范围的采集需要，信号调理电路中使用了两级程控放大器，模拟前端采用差分输入，经前置放大后送入多路选择器，多路选择的输出再经后级程控放大后送到AD976的数据输入端，前置放大和后级放大均使用高精度、低噪声的程控放大器。前端模拟输入与AD976的连接如图5所示。

　　图中，TOUT为可编程计数器82C54的脉冲输出信号，主要用于控制AD976的采样速率，CS信号和BYTE信号固定接低电平，以便在BUSY信号的上升沿将ADC的转换结果锁存到两个8位的锁存器中，下面具体介绍其转换控制和读出的过程。

　　

 

　　2.2 转换控制模式和采样间隔的控制

　　从前面介绍的两种转换模式可以看出，第一种转换模式是利用R/ C 的负脉冲信号控制第一次转换的开始，而利用BUSY信号的上升沿控制数据的读出。第二种模式是通过CS信号控制转换及输出数据的读出过程。这种方式对R/ C和CS信号间的时序关系要求比较严格，相比较来看，第一种转换模式易于控制。在实际应用中，笔者选用了第一种，其连接原理如图5所示。CS引脚固定接低电平，R/ C 引脚接转换启动控制信号TOUT，TOUT的脉冲周期决定着采样的间隔。

　　通常采样的间隔控制可使用MCU自带的定时器通过中断方式来实现，这种方式简单、经济。但由于定时常数的计算与MCU的主频有关，因此，在MCU的主频不是整数时，很难给出精确的定时常数，而且中断响应的时间也不确定，所以只适合于对采样间隔要求不高的应用场合。由于地震数据采集系统只有保证精确的采样间隔，才可保证以后数据分析的精度。为此，本设计中单独使用了一个1MHz的有源晶体振荡器作为基准时钟源，并将其产生的周期时钟脉冲送入可编程计数芯片82C54的一个时钟输入端。82C54的工作方式使用的是方式2，这一工作方式可产生周期性的负脉冲信号，脉冲信号的周期可通过MCU置入不同的计数初值并随机修改，同时可通过GATE端口的打开和关闭来启动或停止工作。在基准时钟源的频率为1MHz时，其输出负脉冲信号的周期可在1μs～65535μs间变化，这一范围完全可满足设计中对采样间隔的要求。

　　2.3 转换结果的读出

　　为确保数据的转换精度，避免ADC数据的输出对模拟输入通道造成干扰，设计中使用了两个数据缓冲锁存器来分别存放高、低字节数据。本设计中使用CS信号固定为低电平时的转换时序，最佳的读出时间是在BUSY变为高电平到启动下次转换之前。同时利用BUSY信号的上升沿作为锁存器的锁存触发信号。由时序图和参数表可知，在转换速率为100kSPS时，转换时间t2最大为8μs，采样保持时间为2μs，总线上有数据的时间最大不超过2μs。如果没有锁存器，则必须保证在2μs内将数据读出并存入随机存储器中，否则一方面总线上的读写操作会对下一次模拟信号的转换造成干扰，另一方面，2μs后读出的数据也是无效的。这对于51系列单片机来说，要从外部总线读出两个字节的数据，即便以24MHz时钟为准，其执行时间也会超过2μs。因此，要保证采样的精度和速度，有必要在ADC的数据输出端加缓冲锁存器，并用缓冲锁存器将ADC的数据输出与微处理器的总线隔离。这样，即使在下一次ADC转换期间8μs从锁存器读出数据上一次转换结果，也不会影响ADC的模拟输入端，从而延长了可读的时间。在数据读出时，为了提高数据的读出速度，减少地址修改的次数，本设计使用了一个地址分配的技巧，即将锁存器和随机存储器分配到相同的地址空间，同时利用MCU的一个控制引脚如P1.5作为锁存器和随机存储器的读出使能信号，当P1.5为低电平时，执行读操作时只从锁存器取数，而执行写操作时，则同时可写入存储器和锁存器中;而当P1.5为高电平时，执行读操作意味着只从存储器中取数。系统中的地址分配和读写使能是利用GAL16V8来实现的。

　　

 

　　图5 信号调理框图及AD976的连接图 点击放大

　　2.4 数据采集软件的设计

　　本采集系统中采样间隔的控制是通过可编程控制芯片82C54的脉冲输出来完成的，而数据转换结束的判断则是通过BUSY信号的状态来判断。当转换结束时，BUSY信号将从低电平转为高电平。当该信号通过D触发器将状态信号送到MCU的一个I/O引脚后，系统可通过查询该引脚的状态来判断读出转换结束时刻，这里使用查询方式而没有用中断方式的原因是为了提高读数的速度，以使数据读出速度能与AD的转换速度相匹配，多通道采集的程序流程图如图6所示。以下给出采集部分的子程序：

　　SETB P1.3　 ;启动82C54

　　MOV R5， SAMP DSH

　　MOV R6， SAMP DSL　;设置采样点数

　　CLR P1.5 　;置ADC锁存器读

　　使能有效

　　MOV DPTR，#CJD Add ; 设置采集数据存

　　放初始地址

　　MOVX A，@DPTR　 ;消D触发器

　　CLR P1.0　 ;置通道1

　　CLR P1.1

　　R AD3 JNB P1.2$　 ;查询BUSY状态

　　SETB P1.0

　　CLR P1.1　 ;转换结束先切换到通道2

　　MOVX A，@DPTR　 ;读通道1的低8位数

　　MOVX @DPTR，A　 ;存入RAM

　　INC DTPR

　　MOVX A，@DPTR　 ;读通道1的高8位数

　　MOVX @DPTRA　 ;存入RAM

　　INC DPTR　 ;修改地址

 

　　………………

　　DJNZ R6，R AD3

　　DJNZ R5，R AD3

　　CLR P1.3　 ;82C54停止工作

　　SETB P1.5　 ;停止采集

　　RET

　　3　结束语

　　本设计利用有源晶体振荡器和可编程计数器相结合的方法，实现了采样间隔的精确控制和灵活修改，同时利用锁存器和地址分配技巧实现了最高吞吐率下数据的正确读出，从而实现了100ksps单通道采样的最高速率。三通道同时采集时的采样间隔可达40μs通道间切换后，放大器有一定的建立时间，完全可以达到使用要求。