毕业设计26成都理工大学工程地震仪数据采集与传输系统的研制

成都理工大学毕业设计（论文） I 工程地震仪 数据采集 与 传输系统的研制 作者 姓名 :王洪辉 专业 :信息工程 (电子方向 )2003050107 指导教师 :罗运先 摘 要 地震勘探仪器是集传感技术、电子技术、计算机技术、数据传输技术、通讯技术等为一体的综合系统。 工程 地震勘探 主要用于解决 矿山、铁路 、建筑 等各种工 程地质问题。随着工程勘探的不断深入， 勘探环境日益复杂，由此带来数据采集、数据传输等问题。论文针对数据采集和传输环节相关技术 进行研究，其主要内容包括： (1) 分析目前工程地震仪存在的问题和不足，提出研究方向和思路 ； (2) 数据 采集 部分采用 24位 A/D转换器， 设计 了 其 外围接口电路 ； (3) 采用 nRF无线收发集成芯片设计数据传输单元， 实现工程地震数据的无线传输 ； (4) 完成了工程地震数据采集和数据传输的系统调试 。 上述研究成果，对于 便携式工程地震仪的研制打下坚实基础。 一些技术还可应用于其他信号采集和信号处理领域。 关键词 ： 工程地震 仪 ， 数据采集， 数据传输 ， 便携式 。 成都理工大学毕业设计（论文） II Development of the Data Acquisition & Transmission System of the Engineering Seismograph Abstract： The seismic exploration instrument is a system including sensor technology, electronic technology, computer technology, data transmission, communication technology. The engineering seismic survey is mainly aimed to solve the engineering geological problem such as mine, railway and architecture. As the advance of engineering seismic survey, the circumstance of the exploration is more and more complex. The problem is that there is a great amount of data which needs to be acquired and transferred. The research is on the interrelated technology concerned with data acquisition and transmission. The main contents are as followings. (1) The problem and lack of the engineering seismic instrument at present are analyzed and research ways are put forward; (2) The signal sampling element adopts the 24bits analog to digital converter and the peripheral interface circuit is designed; (3) The data transmission element adopts the nRF single chip transceiver and realizes the wireless transmission of the engineering seismic data; (4) The debugging of the engineering seismic data gathering and transfer system has completed. The above research achievements have established the basis of the portable engineering seismic instrument and some of the above research could be applied not only in engineering seismic exploration but also in related signal exploration and communication area. Keywords: Engineering seismic instrument， Signal acquisition, Signal transmission, Portable.成都理工大学毕业设计（论文） 1 目 录 第 1 章 引 言 . 1 1.1 课题研究意义 . 1 1.2 国内外发展现状 . 2 1.3 仪器功能特点 . 3 1.4 研究内容及方法 . 4 1.4.1 目 前工程地震仪存在的问题 . 4 1.4.2 本论文研究内容及方法 . 4 1.5 论文结构安排 . 4 第 2 章 系统方案设计 . 6 2.1 系统总体方案 . 6 2.2 地震检波器简介 . 7 2.2.1 动圈式地震检波器 . 7 2.2.2 压电式检波器 . 7 2.2.3 涡流地震检波器 . 7 2.3 数据采集方案 . 8 2.4 数据传输方案 . 9 第 3 章 数据采集单元设计 . 10 3.1 - 模数转换技术 . 10 3.1.1 过采样技术 . 10 3.1.2 数字滤波及采样抽取技术 . 12 3.1.3 转换器结构特点概述 . 12 3.2 A/D 转换器 ADS1271 简介 . 14 3.2.1 ADS1271 特点与工作方式 . 14 3.2.2 ADS1271 数据输出模式 . 16 3.3 A/D 采集硬件电路设计 . 18 3.3.1 单元硬件方框图 . 18 3.3.2 参考基准电压设计 . 19 成都理工大学毕业设计（论文） 2 3.3.3 输入信号调理电路设计 . 19 3.3.4 系统时钟设计 . 20 第 4 章 无线数据传输单元设计 . 21 4.1 传输方式比较 . 21 4.1.1 现有传输方式概述 . 21 4.1.2 无线数据传输的提出 . 22 4.2 nRF 系列芯片简介 . 22 4.2.1 nRF 芯片技术特点 . 22 4.2.2 基于 nRF 系列芯片的实验性能比较 . 23 4.2.3 nRF905 电路结构与工作原理 . 23 4.3 无线数据传输硬件电路设计 . 25 第 5 章 软件设计实现 . 26 5.1 软件开发环境 AVR Studio . 26 5.2 AVR Studio 开发流程 . 26 5.3 ADS1271 数据采集软件设计 . 30 5.4 nRF905 无线传输软件设计 . 31 第 6 章 实际测试 . 36 6.1 ADS1271 数据采集测试 . 36 6.2 nRF905 数据传输测试 . 37 6.3 时钟同步测试 . 40 结 论 . 41 致 谢 . 42 参考文献 . 43 成都理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 前 言 1.1 课题 研究意义 地震勘探是地球物理勘探中重要的方法之一，与其他物探方法相比，其优点是精度高、分辨率高、穿透深度大，对有弹性差异的成层性好的地质体特别有效，因而广泛应用于石油、 天 然气、煤田、盐岩矿床的勘探， 并 取得了极大的成效 ；其次在寻找地 下 水资源、建设大型建筑物、水坝、公路铁路、港口等 工 程勘 测和地壳探测中也起重要作用 7。在地震勘探中，根据探测对象和应用目的的 不 同，分为浅层地震勘探和中、深层地震勘探。浅层地震勘探常被用于进行 “水、 工 、环 ”(水文、 工 程与环境 )地质调 查 ，而主要用于解决诸如 工 程地质填图、建筑、水利、电力、矿山、铁路、公路、桥梁、港口、机场等各种 工 程地质问题，因此被称为 工 程地震勘探 2。 地震勘探最早出现于 20 世纪 20 年代，当时利用 折射 波法找到了大量浅的盐丘， 从 30 年代起， 折射波法和反射波法应用于找煤和寻找石油、天然气 ； 二战后，随着工程建设项目的大量兴起，地震勘探在土木工程、矿山 工程、交通工程以及其他工程地质中得到应用和发展 。 70 年代后期，浅层地震勘探已广泛应用于水利工程建设、工业建设、道路建设和民用建设等各个部门 13。 80 年代以来，我国民用建筑事业得到了飞速发展 2。高层建筑、高速公路、地下铁道以及桥梁、机场、水坝、核电站等种类繁多的高标准工程建设项目日益增多。正是由于这些工程建设的需要，浅层地震方法技术得到了迅速发展。出现了许多新的勘探技术和方法 。例如： 纵横波速测试技术 (PS 波测井 )，而波频谱法(瑞雷波勘探 )，地震波 CT 技术，桩基测试技术，垂直地震剖而法，微动观测等。这 类方法 由 浅震勘探发展而来， 不 要求更多道数。浅震勘探折射波法、反射波法、透过波法常用通道数为 24、 48、 96 道勘探。而浅震的这些新方法新技术所需道数通常为 1(桩基测试 )， 3(纵横波速测量，地脉动观测 )， 6-12(瑞雷波勘探 )。这就为更少道数， 更小体积的工 程地震仪提供了发展空间。 本课题组 针对这种需求提出开发一种 基于 PC 机的 工程地震仪系统 ，实现浅层地震波的大动态范围、高精度采集 、 显示 、 存储 和处理 。 力求在技术指标上相成都理工大学毕业设计（论文） 2 对国内目前水平有一个较大的提高，基本上达到国际研究水平。该课题的实现势必 对 我国 浅层地震勘探的发展产 生积极 影响，对于推动相关领域的技术进步带来积极意义 。 1.2 国内外 发展现状 地震勘探仪器发展到现在，已经有五六十年的历史，经历了五代的变化。它们依次是：模拟光点记录地震仪、模拟磁带记录地震仪、数字磁带地震仪、早期遥测地震仪、 24 位遥测地震仪，现在已开始进入全数字遥测地震仪时代 1 58 11。 国际上对地震勘测仪器的研究主要集中在多道，高精度，高速等几个方面。在多道方面由于采用遥测技术，其测试通道大大提高，目前已经达到 4096 道的水平，正向万道的目标迈进。在精度方面受限于电子技术，还是停留在 24bit 的水平上，但是其系统分辨率有较大的提高。在高速采集领域，已经达到 10us 的采样速度。国内除了遥测系统有较大的差距外，其余部分也基本与国际水平同步。 目前，国内外各个探区都以 24 位 ADC 仪器作为绝对主体 。 生产仪器的厂家主要有：法国的 SER-CEI 公司、美国的 I/0(Input/Output)公司、加拿大的 Geo-X公司；另外还有美国的 Seismic Instrument、 FAIRFIEI D、 GEOM ETRICS、 TERRAI OC、日本的 JGI 和 OYO 公司 、 英国的 VERBITCH 以及德国的 DMT 等公 司 。由于制造工艺好、采用技术先进，其各项性能指标、稳定性和可靠性得到了很大的提高；瞬时动态范围达到 120dB，等效输入噪声在 l ms 采样和 0dB 增益时小于 1600 nVRMS。 畸变指标达到 0.0001 0.003 。 系统规模 (如道能力 )和软 /硬件功能更为强大，而体积更小、使用更为方便 。 目前，国内外地震勘探领域使用的仪器几乎由 Sercel、 I/O 和 GE0X 三家大公司所垄断 24 27。 使用的工程地震仪主要有美国 Geometries 公司的 RS 和风系列地震仪 ， 德国Sumit 公司 DMT 地震仪，以及国内重庆地质仪 器厂、西安地质仪器厂生产的地震仪，水电科研所的 SWS 系列面波仪和 Geopen 公司的地震仪。 成都理工大学毕业设计（论文） 3 表 1-1 各代地震勘探仪器数据传输状态对比 地震仪器时代 地震仪器名称 核心技术与器件 传感器（检波器）信号输出 小线信号传输 大线信号传输 主机系统记录 第一代 模拟光点记录地震仪仪 电子管、分立元器件、全模拟信号并行传输 模拟输出 模拟传输 模拟传输 模拟记录 第二代 模拟磁带记录 地震仪 电子管、分立元器件、全模拟信号并行传输 模拟输出 模拟传输 模拟传输 模拟记录 第三代 数字磁带记录 地震仪 集成电路逻辑控制技术模拟传输，数字记录 模拟输出 模拟传输 模拟传输 数字记录 第四代 早期遥测地震仪 分布式结构，微型机控制技术 模拟输出 模拟传输 数字传输 数字记录 第五代 24 位遥测地震仪 24 位技术，网络遥测技术 模拟输出 模拟传输 数字传输 数字记录 第六代 全数字遥测地震仪 MEMS 技术，全数字传输与记录 数字输出 数字传输 数字传输 数字记录 1.3 仪器 功能 特点 工程地震仪，即浅层地震仪 ，又称为 弹性波测量仪。浅层地震勘探具有工作面积小，勘探深度浅 (数百米 )，探测对象规模小及浅部 各种干扰因素复杂等特点。因此，对仪器设备各方面都提出了相应的要求 : 具有高放大倍数的性能； 具有大动态范围； 具有合适的频带宽度； 具有较高的分辨率； 具有较高的信噪比； 具有信号增强的功能； 具有轻便、工作效率高的优点。 本 仪器主要完成数据采集、简单处理、存储功能，要求在保持参数尽可能高的情况 下， 尽可能提高仪器的集成度，提高处理速度，降低重量，以适应野外小成都理工大学毕业设计（论文） 4 规模场合现场应用。主要针对浅层地震勘探方法中的新方法、新技术 如： 面 波勘探，桩基完整性检测，常时微动观测，地震映像法勘探，振动监测，弹性波 CT层析成像，在 工 程勘察中的应用。 1.4 研究 内容 及方法 1.4.1 目前工程地震仪存在的问题 国内采集系统虽然都采用的是 24bit 的 ADC，但是在输出结果上有较大的误差，数据杂散范围为 500 600 个 LSB（最低有效位），这严重降低了系统的分辨率。 国内对遥测系统也进行了一定的研究，但是多数是基于 GPS 进行时间同步，而且没有成功的仪器推出。 GPS 的时间同步精度理论上优于 1us，但是 GPS接受机成本太高，并且实际同步精度也不能满足系统的要求。 1.4.2 本论文研究内容及方法 由上，本论文提出了针对浅层地震勘探，进 行了新方法、新技术的研究， 主要 对以上两个问题进行技术 研究 ： 采用先进的技术和完整的系统噪声控制，提高系统的 有效 分辨率，把系统噪声控制在 400 个 LSB 以内。 采用 nRF 系列芯片进行近距离（ 200 米内）无线数据传输，采用主机和从机相结合的模式提高系统无线时钟同步的精度，使其能达到 0.5us 的同步精度，以满足地震仪采集系统的要求。 针对以上两点，主要完成以下内容的设计开发： 基于 ATmega32L 的 ADC 控制器的设计和 开发 ； 基于 ATmega32L 的 nRF905 无线数据传输单元的设计和 开发 ； ADC 前端信号调理电 路的设计和 开发 ； ADC 基准参考电压源的设计和 开发 ； 系统时钟的设计和开发； 数据采集、 无线数据传输实验 调试 ； 系统时钟同步研究 。 1.5 论文结构安排 本文主要分为 6 章进行叙述： 成都理工大学毕业设计（论文） 5 第一章，引言。主要针对课题的研究意义、国内外发展的现状进行对比， 对国内外相关文献进行了综合论述， 提出了课题研究的内容 、研究方法 ，以及 预期的成果。 第二章， 系统方案设计。 主要对课题的总体设计方案进行了整体论述 ， 补充论述了地震检波器的相关知识，提出了论文研究的 内容，即地震数据采集和数据传输的设计方案。 第三章，数据采集单元设计。 主 要针对数据采集部分进行了详细论述， 简要介绍了 模数转换技术 基本知识，说明了论文采用的 ADS1271 芯片的结构特点、工作方式， 重点 对 ADC 采集的硬件电路设计进行了详细论述 ，阐明了 其 设计思想 。 第四章， 无线数据传输单元设计。 对地震数据传输方式进行了比较，提出了无线传输的必要性。论文选用了 nRF 系列芯片实现无线传输，对其进行了详细的说明， 并 设计了无线传输模块的硬件电路。 第五章， 软件设计实现。 简要介绍了软件开发环境 AVR Studio 的开发流程，针对数据采集和数据传输进行了模块化的软件设计实现，论文说明了关键 代码的含义。 第六章， 实际测试。主要对论文研究的地震数据采集、数据传输模块进行了实际测试， 得出了 测试结果图 ， 对后续工作提出了改进性意见。 成都理工大学毕业设计（论文） 6 第 2 章 系统方案设计 2.1 系统总体 方案 根据本课题的实际要求，查阅了大量相关文献资料，进行了项目的前期调研工作，对国内外相关领域的发展现状和形势进行了必要的分析。最终提出了以MCU 为核心的设计方案。经过论证考查，得出了整体方案可行性的结论。系统整体硬件原理框图如图 2-1 所示。 图 2-1 系统总体设计原理框图 由图中可以看出，数据采集系统主要由 MCU 控制一个 24 位的 ADC 对地震波信号进行采样，转换之后的数字信号通过无线发射器 NRF-Send 进行向主机部分的无线传输。数据传输系统包括数据的无线发送和本地的无线接收。由图中知道， MCU 控制无线接收器 NRF-Receive 进行数据的接收，最后通过 串口 通信接口协议完成与上位机的通信，最终的信号处理部分也在上位机 PC 上通过软件编程实现。 采用全新的设计方法全面降低系统的噪声，同时参考基准电压为 ADC 提供高质量稳定直流参考，共同保证 ADC 的有效分辨率。数据传输部分采用专用无线数据传输模块 nRF 实现。整个设计采用微控制器 MCU 作 为系统控制中心，程序开发主要包括 ADC 芯片的时序控制和数据接收、无线通信模块 nRF 的数据收发控制以及数据包的编码、打包、解码等。 ADC MCU NRF-Send MCU NRF-Receive PC 数据采集系统（ Data-Acquisition System） 数据传输系统（ Data-Transmission System） 系 统 电 源 成都理工大学毕业设计（论文） 7 2.2 地震 检波器 简介 在介绍数据采集方案之前，这里有必要介绍一下地震波信号的拾取关键部分 检波器。论文对检波器部分没有设计，直接采用了市场现有的成品进行利用 ，缩短了开发周期。 检波器是安置在地面、水中或井下以拾取地振动 时信号 的地震探测器或接收器，它实质是将机械振动转换为电信号的一种传感器。现代地震检波器几乎完全是动圈电磁式（用于陆地工作）和压电式（用于海洋和沼泽工作）的。这 里简要介绍接收纵波的垂直检波器 4。 2.2.1 动圈式地震检波器 这类检波器的结构主要包括弹簧、线圈架、线圈、永久磁铁 ，其机电转换通过线圈对磁铁往复运动而实现。线圈及线枢由一个弹簧系统支撑在永久磁铁的磁极间隙内，组成一个振动系统。当 线圈在磁极间隙中运动时线圈切割磁力线，同时在线圈两端产生感应电势，感应电势的大小与线圈切割磁通量的速度成正比。因此，动圈式检波器也称为速度检波器。大地作垂向运动时，磁铁随之运动，但线圈由于惯性而趋于保持固定，使线圈和磁场之间有相对运动。对于水平的运动，线圈相对于磁铁是不动的 ，所以，这种检波器的输出为零。而对于接收水平振动的横波检波器而言，垂直振动的信号输出为零，其工作原理与垂直检波器相同 4。 2.2.2 压电式检波器 这种检波器一般用于水下一定深度接收地震波， 它是用压电晶体或类似的陶瓷活化元件作为压力传感元件， 当这类物质受到物理形变时（如水压力变化），它们 产生一个与瞬时水压（和地震信号有关）成正比的电压。因此，这种检波器称作压力检波器或水下检波器。 还有一种压力检波器通常安置在注满油的塑料软管内，油的作用是将水的压力变化传给检波器内的敏感元件。这类检波器 包在海洋电缆（称 拖缆）内 4。 2.2.3 涡流地震检波器 这是日本 OYO 公司 1984 年研制成的一种新型检波器。它是利用惯性部件和固定在机壳里的永久磁场作相对运动产生涡流，涡流又使固定在机壳里的线圈感应出电流的原理而制成。一个固定的圆柱形磁铁沿中央轴安装在机壳内，线圈固定地绕在永久磁铁的外面，非磁性可运动的铜制套筒由弹簧悬挂在磁铁和线圈成都理工大学毕业设计（论文） 8 之间构成惯性部件。当机壳被地震振动驱动时，固定在机壳里的永久磁铁和机壳一起运动，但由于弹簧悬挂着的铜制套筒因其惯性而滞后运动，于是，永久磁场和铜制套筒之间的相对运动在套筒中形成涡流，涡流 的变化率引起变化的此生磁场，变化的磁场在固定的线圈中产生电动势而输出电压 4。 2.3 数据采集方案 早期地震仪 (常规数字地震仪和遥测地震仪 )采用图 2-2 所示的结构，主模拟通道由瞬时浮点放大器 (IFPA)加 12 16 位 A/D 转换器组成，通过多路转换开关分时将各道模拟信号转换成浮点二进制数表示的子样数据 3。通过引进瞬时浮点放大器扩大了系统的记录动态范围，成功地解决了短字长表示大动态范围的技术问题。但由于多路开关的速度限制了采样速率的进一步提高，而浮点放大器和多路开关的引进又加大了系统噪声，使得系统信噪 比难以提高；同时系统复杂、体积大、阻容元件多都成了这种结构的劣势 20。 前 放 2前 放 3前 放 n多 路 转 换 开 关前 放 1瞬 时 浮 点 放 大 器 1 6 位 A / D 转 换 器图 2-2 早期数字地震仪数据采集结构 当前 ， 常规数字地震仪和遥测地震仪都引进了 结构的 24 位 A/D 转换技术，只保留了前端放大 (有的加入模拟滤波 )和 A/D 两部分。 24 位 A/D 技术的引进极大地改善了瞬时动态范围、信噪比、谐波失真等性能，同时很大程度地降低了系统的复杂度，使得系统阻容元件减少了 99%7，集成度提高了 99.9%。鉴于这些因素，考虑到提高性能和减小体积，本设计也 采用这种技术，芯片选用 美国德州仪器公司（ TI）的 ADS1271，采集模块结构如图 2-3。 由地震检波器出来的信号首先送到 信号调理电路 进行信号的变换， 其调理电成都理工大学毕业设计（论文） 9 路 主要包括：前置放大器、单转差分信号电路。 ADC 芯片接收来自信号调理电路输入的差分信号，在 MCU 的控制下进行模数转换。 Vref 电路为其提供参考电压基准。 这里，我们将数据传输系统部分分别放到采集和主机系统中进行说明。如图2-3 中所示，在 MCU 的控制下，无线数据发送器将 ADC 转换后的数字码序列通过频道进行发送，实现地震仪 与主机之间 的无线数据传输。 地 震检波器信号调理电路A D C M C U无线数据发送器V r e f图 2-3 地震信号采集系统无线数据发送 2.4 数据传输方案 图 2-4 所示为主机系统部分， 论文主要设计了无线数据接收部分。 MCU 与PC 机之间的通信接口以及 PC 机中的地震波显示界面、处理软件部分由课题组完成。 无无无无无无无M C U P C无 无 无 无图 2-4 数据传输系统原理框图 成都理工大学毕业设计（论文） 10 第 3 章 数据采集单元 设计 3.1 - 模数转换技术 传统 A/D 转换器采用 PCM(脉码调制 )技术，利用成百上千 个 高度协调组织的比较器组成电路，实现 模拟信号数字化。在实现大于 16 比特的 A/D 时，遇到极大的困难，因其性能难以保证和代价过高以及难以与数字电路实现单片集成，而不适应 VLSI 技术的发展 20。近年来 模数转换器正以其分辨率高、线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用，特别是在既有模拟又有数字的混合信号处理场合更是如此。过采样 A/D 变换器 由 于采用了过采样技术和 调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例， 并且 易于与数字系统实现单片集成，因 而能够以较低的成本 实现高精度的 A/D 变换器，适应了 VLSI 技术发展的要求。 过采样 变换技术采用了过采样技术、 调制技术和数字抽取滤波技术。过采样技术使得量化噪声功率平均分配到更宽的频带范围中，从而降低了基带内的量化噪声功率。 ADC 以很低的采样分辨率 (1 位 )和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后对 ADC 输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。 ADC 的电路结构是由非常简单的模拟电路 (一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路 )和十分复杂的数字信号处理电路构成。 3.1.1 过采样技术 模拟信号经采 样后要量化 并 编码， 由 于 不 能精确地用数码来表示信号而产生的误差可以看作是一种噪声 20。图 3-1 示出对连续信号 x 量化的简单例子，图中量化间距 为 2，当被量化信号 不 饱和时，即 -6x+6 时，量化误差是与信号 不相关的随机噪声，其值在 /2 之间变化， 并 以相同的概率落在 /2 范围内的任何位置。图 3 2 示出了模拟信号通过低通滤波后，以奈奎斯特频率 f=1/ 采样量化的噪声分布图，采样后所有噪声谱折叠在 0-f s/2 频带内，呈均匀分布。 成都理工大学毕业设计（论文） 11 图 3-1 连续信号量化示意图 模 拟 低 通 滤 波A D C模 拟信 号数 字信 号f p = f af s量 化噪 声f a f s / 2 f s图 3-2 量化噪声分布图 过采样技术 (oversample)就是以高出奈奎斯特频率 (fs)很多 倍 的方法对模拟信号进行采样量化，设过采样频率为 fos， 称 OSR=fos/fs 为过采样率。以频率Fs=Rfs 对信号进行相同比特位数的采样量化 (R1)， 由 于量化比特数 m 未变，则量化噪声功率也 不 变。但这时量化噪声均匀分布在 O Rfs/2 频带内，其功率降为原来的 1/R，高于信号频带的噪声可以用低通滤波器滤掉。进而达到了降低量化噪声，提高有效分辨位的目的。 在采样值量化时，若采用 m 比特编码， 易知过采样之后的噪 声功率为 N2/R，成都理工大学毕业设计（论文） 12 过采样系统内的最大信噪比为 RmNS lg1076.102.6lg10 (3-1) 由 公式 3-1 可知，采样频率每提高一信时，信噪比提高 3dB，换言之，相当于量化比特数提高 0.5 比特。所以，通过提高过采样率可以提高 A/D 的有效分辨位，但需要通过数字低通滤波器滤除高频噪 声。 3.1.2 数字滤波及采样抽取技术 A/D 转换器后端设有数字抽取滤波器，具有低通滤波和数字抽取 (又称分样或重采样 )的双重功能 20。其功效有三 :一是滤除经噪声整形后的 高频段噪声，二是滤除奈奎斯特频率 (重采样频率 )以上的频率分量，防止由于数字抽取所产生的混叠失真。三是进行数字抽取和滤波运算，减少数据率，将 1 位数字信号转换为高位数字信号输出。 为了保证输入信号的波形不失真，要求滤波器具有很好的相位特性 :同时为了保证 A/D 转换精度的要求，滤波器还必须有很好的幅度特性。为此， A/D转换器的低通滤波器，一般都选用具有线性相位特性的 FIR 滤波器。降低输出数据速率的方法是通过对每输出 M 个数据抽取 1 个的数字重采样 的 方法 来 实现的，这种方法称作输出速率降为 1/M 的采样抽取 (decimation)。这种采样抽取方法不会使信号产生任何损失，它实际上是去除过采样过程中产生的多余信号的一种方法。数字抽取滤波器的原理框图如图 3-3 所示。 h ( n )滤 波 器 的 单 位脉 冲 响 应1 / M数 字 抽 取y1( n )f s = f o s / Mf o sy ( n )图 3-3 数字抽取滤波器结构图 3.1.3 -转换器结构特点概述 转换器拥有非常高的分辨率，可理想的用于转换极宽频率范围（从直流到好几个 MHz）的信号。在 ADC 中，输入信号先要通过一个调制器实现过采样（ oversample），而后由数字滤波器所产生的、采样率较低的高分辨率数据流完成滤 波及抽取 (decimate)。 的架构模式允许牺牲分辨率来换取速度，或同时 折中 取速度及功耗。正成都理工大学毕业设计（论文） 13 式数据率、分辨率、功耗三者之间密切且不间断的联系，使得 转换器格外的灵活。在很多 转换器中，分辨率是可编程设定的，从而使单个器件能满足多个不同度量的需求。 转换器对输入过采样，因而能在数字域完成大多数的反锯齿滤波。现代的超大型集成电路设计技术已经使得复杂数字滤波器的成本远低于同等的模拟滤波器。原来不同寻常的某些功能，诸如 50Hz 及 60Hz 的带阻滤波，现在已经内置到很多的 ADC 之中。 转换器的运作有别于逐次逼近型（ SAR）转换器。 SAR 转换器获得输入电压的一个 “映像 snapshot”，通过对 “映像 ”的分析决定响应的数字代码。而 测量的是一段确定时间的输入信号，其输出响应的数字代码是根据信号的时间平均得来的。 对多个 转换器的同步 并不困难，因此很容易实现多个转换器的同时刻采样，而比较困难的是实现 转换器与外部事件的同步。 转换器还对系统时钟抖动（ clock jitter）有极高的抵抗能力。其过采样功能有效的平均了抖动，降低了其噪声影响。 许多 转换器包含了输入缓冲器及可 编程增益放大器 (PGA)。 输入缓冲器增加了输入阻抗，允许直接连接高源阻抗的信号。可编程增益放大器增加了测量小信号时转换器的精确度。桥接式传感器就是在转换器中利用了 PGA 优势的信号源的典型实例。 所有的 ADC 都需要一个基准，对于高分辨率的转换器来说，拥有一个低噪声、低漂移的基准至关重要。大多数 转换器都采用了差分基准输入。 图 3-4 就是 型 ADC 的内部结构图。 成都理工大学毕业设计（论文） 14 图 3-4 型 ADC 的内部结构图 3.2 - A/D 转换器 ADS1271 简介 3.2.1 ADS1271 特点与工作方式 德州仪器 (TI)推出业界最高带宽的工业用 24 位模数转换器 (ADC)，实现了DC 精度与 AC 性能的突破性结合 29。 传统上讲 ， 漂移性能较高的工业用 ADC 采用具有较大 通带下滑（ droop）的数字滤波器 ， 这就导致信号带宽有限 ， 大多数 适用于 DC 测量 。 音频应用的高分辨率 ADC 能够提供更大的可用带宽 ， 但偏移和漂移规范则比工业用 ADC 差得多（常常无规范） 。 TI 利用其在高精度工业与高性能音频数据转换领域的专业技能开发了全新类型的数据转换器 ， 实现了无与伦比的精度与速度 。 这种具有突破性的数据转换器为客户提供了 AC 和 DC 的最佳性能组合 ， 使客户能够实现难以企及的应用性能。高阶 、 斩 波稳定型 调制器利用专有设计技术 ， 实现了非常低的偏移 和通带噪声 。板 载的专用 线性相位抽取滤波器抑制 了 调制器 的通 带外噪声 ， 实现了 90% 尼奎斯特速率的信号带通 ， 而波纹还不足 0.005dB。 1.其主要性能指标有： 具有 24 位转换精度， 105kSPS 数据速率 ； AC 交流 特性： 51kHz 带宽， 总谐波失真 105dB； DC 直流 特性： 1.8V/ 偏移 点漂移 ， 2ppm/ 增益 漂移 ； 可选的工作模式：高速模式 105kSPS，高精度模式 109dB SNR（信噪比） ，低功耗模式 35mW； 集成数字滤波：线性相位响应 ，通带纹波 0.005dB； 成都理工大学毕业设计（论文） 15 内部偏移校准 ，引脚控制简单， 可选的调制器输出 ； 可选的 SPI 和帧同步串行数据接口 ； 模拟供电 电源 5V，数字供电 电源 1.8 3.3V。 图 3-5（ a）（ b）是 ADS1271 的 内部结构 框图和管脚图，其管脚定义如下 ： AINP、 AINN：分别为模拟信号差分输入正、负端； AGND、 AVDD：分别为模拟地、模拟电源； MODE：模式选择控制输入端，有高速、高精度、低电压模式可选； FORMAT：数据接口方式选择端，有 SPI 模式、帧同步 、调制器输出模式（ ADS1271B 仅有）； SYNC/PDWN:同步或低电压模式控制脚，低电平有效； DIN、 DOUT：数据输入、输出端； DRDY/FSYNC：当 FORMAT=0（ SPI 模式）时，为数据转换结束，低电平有效；当 FORMAT=1(帧同步模式 )时，为帧同步输入端； SCLK：读取 ADC 转换数据串行移位时钟 ； CLK： ADC 主时钟； DVDD、 DGND：数字电源、数字地； VREFP、 VREFN：参考基准电压差分输入正、负端。 图 3-5(a) ADS1271 内部结构图 成都理工大学毕业设计（论文） 16 图 3-5(b) ADS1271 引脚图 2.工作模式 ADS1271 具有 三种可选的工作模式 ：高速、高精度、低功耗。 可实现速度（ 105kSPS 的数据速率）、分辨率 (109dB SNR) 以及功耗 (40mW) 的优化。 三种模式性能比较如 表 3-1 所示 29： 表 3-1 三种模式 性能 比较 MODE DATA RATE(SPS) PASSBAND(Hz) SNR(dB) NOISE(uVRMS) POWER(mW) High-Speed 105,469 47,777 106 9.0 92 High-Resolution 52,734 23,889 109 6.5 90 Low-Power 52,734 23,869 106 9.0 35 3.2.2 ADS1271 数据输出 模式 可选帧同步或 SPI 串行接口能够提供至微控制器的方便连接。所有操作（包括内部偏移校验）都由引脚直接控制，不必对寄存器进行编程。 SPI 模式 （ SPI FORMAT） ： 成都理工大学毕业设计（论文） 17 图 3-6 SPI 模式时序图 由图 3-6 可以看出 ， MCU 在检测到 DRDY 的下降沿 立即 启动 SPI 总线， 在SCLK 时钟下进行 DOUT 数据输出， 数据在 SCLK 的上升沿被采样， 下降沿被锁存输出 。 数据格式是高位在前，为 Bit23 Bit0，其中 Bit23 是符号位， 1 表示负， 0 表正。 帧同步模式（ FRAME-SYNC FORMAT）： 图 3-7 帧同步模式时序图 由图 3-7可以看出， 通过 MCU给引脚 DRDY/FSYNC发送帧同步信号 FSYNC,同时启动 总线时钟 SCLK,数据从 DOUT 脚输出，同样在 SCLK 的上升沿被采样，下降沿锁存输出。 数据格式是高位在前，为 Bit23 Bit0，其中 Bit23 是符号位，1 表示负， 0 表正。 数据输出格式 ADS1271 提供两种补偿输出 24Bit 数据， 即最高位为符号位， 1 表示负， 0表示正。 当正极性满刻度输入时，输出数据 7FFFFFh（即 0111， 1111， 1111， 1111，成都理工大学毕业设计（论文） 18 1111， 1111b） ； 而负极性满刻度输入时，输出数据 800000h（即 1000， 0000， 0000，0000， 0000， 0000b） ；当输出信号超过满刻度值时（即 VinVref 或 Vin Vref）输出数据将被钳住在 7FFFFFh 或 800000h。 表 3-2 是其理想状态下不同输入信号对应的输出数据值 29。 表 3-2 理想情况数据输出值 这里 选用其 SPI 模式，直接与 ATmega32L 的 SPI 接口相连。 3.3 A/D 采集硬件电路设计 3.3.1 单元硬件方框图 经过认真分析 ADS1271 的数据手册和 TI 公司提供的典型应用笔记，论文对数据采集进行了方案论证。针对 ADS1271 全差分的特点（输入信号全差分、参考电压基准全差分），论文对 其外围电路进行了全面的设计。其原理框图如图 3-8所示： D i f f e r e n t i a l -d r i v e r( A D 8 1 3 1 )V o l t a g e -r e f e r e n c e( A D R 4 4 1 )P r e - a m p l i f i e r( I N A 1 6 3 )R e f e r e n c e -b u f f e r( O P A 2 2 7 7 )2 4 b i t - - A D C( A D S 1 2 7 1 )C L K - I NL o g i c - D a t a -i n t e r f a c