數據采集系統中的采集信號質量很大程度上取決于模數轉換器的選取及使用。為滿足高精度地震數據采集的應用需要，設計一種高集成度、單通道地震數據采集單元，該單元可實現單道地震信號的拾取、數據轉換、存儲及數據傳輸功能，采用新型模／數轉換器ADS1282進行數據轉換，可獲得高保真度、高信噪比、高分辨率的數字信號，同時還可以利用其片上的數據選擇器及校準引擎實現自檢和系統校準功能，從而保證采集信號質量不隨時間、地點、環境和條件而變化。利用ADS1282設計實現的數字化采集單元具有低功耗、小體積、高精度、高分辨率的特點。這里給出ADS1282模／數轉換器的特點、工作原理及其在地震數據采集單元中的接口設計。

1 ADS1282簡介
1．1 主要特性
    ADS1282是一款針對工業應用、具有極高性能的32位、△-∑型模數轉換器(ADC)。該轉換器具有4階、固有穩定△-∑調制器，因此具有優良的噪聲和線性特性；該調制器的輸出既可與片上的數字濾波器聯合使用，也可旁路輸出到加速處理濾波器；片上多路選擇器(MUX)既可提供用于測量的附加的外部輸入，也可與內部自檢電路相連；片上可編程放大器(PGA)具有極低的噪聲和高輸入阻抗，易與地震檢波器、水聽器經一個寬范圍的增益連接；數字濾波器可通過編程選擇不同的濾波器組合方式；同時片上具有增益及失調檢測寄存器支持系統校準功能。ADS12 82的額定工作溫度范圍為-40～+85℃，最大工作范圍可達+125℃，適用于能源探測、地震檢測、高精度儀器儀表等要求苛刻的工業應用領域。
    ADS1282的主要特性如下：
    1)高分辨率：高精度模式，數據輸出率為250 SPS時信噪比(RSN)達130 dB，低功耗模式，數據輸出率為250 SPS時信噪比(RSN)達127 dB；
    2)高精度：總諧波失真(THD)為-122 dB，積分非線性(INL)為O．5 ppm；
    3)低噪聲可編程放大器(PGA)：；
    4)2通道多路選擇輸入(MUX)；
    5)超量程快速檢測功能的4階、固有穩定△-∑調制器；
    6)靈活的數字濾波器：可選擇Sinc+FIR+IIR濾波的不同組合方式，其中FIR濾波方式可編程設置為線性或最小相位響應，數據輸出率可在250 SPS至4 KSPS之間選擇；
    7)可設置濾波通帶；
    8)低功耗：高精度模式為25 mW，低功耗模式為17 mW，待機模式為90μW，掉電模式僅為10μW；
    9)失調及增益校準引擎。
1．2 引腳說明
    ADS1282采用28引腳TSSOP封裝，其引腳配置如圖l所示。

    CLK：主時鐘輸入；SCLK：串行時鐘輸入；DRDY：數據準備好輸出，在其下降沿讀出數據：DOUT、DIN：串行數據輸出、輸入；MCLK、M1、M0：若工作在調制器模式，MCLK為調制器時鐘輸出，M1、MO為調制器的數據輸出，否則這些引腳不使用，需接固定值；SYNC：同步輸入，用于實現多芯片同步工作；MFLAG：調制器超量程標志，0表示正常，1表示超量程；DGND：數字地，該引腳是接地點的核心；CAPN、CA-PP：PGA輸出，在CAPP與CAPN之間需連接一只10 nF的電容；AINP2、AINN2，AINP1、AINN1：正、負模擬輸入端；AVDD、AVSS：正、負模擬供電電源，單極性(+5 V)或雙極性(±2．5 V)；VREFN、VREFP：正、負基準輸入；：掉電輸入，低電平有效；：復位輸入，低電平有效；DVDD：數字供電電源：+1．8～+3．3 V；BYPAS：從校準輸出：與DGND之間接1μF電容。
1．3 內部結構與工作原理
    ADS1282的內部結構如圖2所示，主要由多路選擇器(MUX)、可編程增益放大器(PGA)、△-∑調制器、可編程數字濾波器、增益及失調校準引擎、超量程檢測電路、控制器及SPI串行接口等組成。

    多路選擇器MUX允許5種設置：輸入1、輸入2、輸入1、2之間短路、400 Ω短路測試及共模測試；多路選擇器之后是時間連續的差分輸入、差分輸出CMOS可編程增益放大器(PGA)，PGA的增益范圍是1～64，可通過寄存器設置。PGA通過300 Ω的內部電阻差分驅動調制器，在CAPP與CAPN之間需接COG型陶瓷電容以濾除調制器采樣時產生的瞬時干擾，外部電容用于反混疊濾波，其轉折頻率可由公式fp=1／6．3x600xC計算。
    ADS1282的調制器是一個高性能、固有穩定4階△-∑調制器，為2加2的通道結構，該調制器在輸入過載情況下可進行預測及修復。調制器將待測差分輸入信號VIN(其中VIN=(AINP-AINN)PGA)與基準電壓VREF(VREF=VREFP-VREFN)相比較，得到1 s密度的數據流，如果輸入驅動超過調制器90％但低于100％，調制器仍保持穩定連續的1 s密度數據流，當調制器的輸入超出滿量程范圍時，調制器將進入穩定的飽和狀態，這時數字輸出代碼可能是正滿量程值或負滿量程值，當輸入返回到正常范圍時，調制器需要12個調制時鐘周期(fMOD)退出飽和狀態并返回到線性區域，數字濾波器另外需要62個轉換周期才可完全建立數據(線性相位FIR濾波)。
    調制器的數據流輸出可直接被訪問、旁路并禁止輸入到內部數字濾波器，也可連接到片上的數字濾波器以提供可讀的輸出代碼。設置CONFIGO寄存器的位FILTR[1：0]=00，可使調制器工作在輸出模式，這時引腳MO、M1變為調制器的數據輸出，MCLK變為調制器的時鐘輸出，但不工作在調制器輸出模式時，這些引腳為輸入引腳且需接固定值。
    數字濾波器接收調制器的輸出并對數據流進行抽取，通過調節濾波器的數量，可以在精度和數據輸出率之間進行折衷，濾波器越多則精度越高，濾波器越少則數據輸出率越高。
    數字濾波器由3個級聯的濾波器組成：1個抽取率可調的、五級sinc濾波器，1個具有可編程相位、32倍率抽取的有限沖擊響應(FIR)低通濾波器及1個可編程的、一階高通濾波器(HPF)。數據可從這3級濾波器模塊的任意一級輸出，若完全不使用片上濾波器，則可選擇濾波器旁路設置(調制器輸出)，若部分使用片上濾波器，則可選擇sinc濾波器輸出，表l為濾波器的設置。

    SYNC信號輸入將使數字濾波器及調制器執行復位操作，允許多個ADS1282與某個外部事件同步轉換。輸入將使寄存器設置復位并重啟轉換處理，輸入將使芯片進入微功耗狀態，注意在模式將不保持原寄存器中的設置，如果希望原寄存器中的設置不變，可使用待機(STANDBY)命令進行設置(在待機模式下靜態電流會稍微大一些)。
    ADS1282根據輸入范圍選擇單電源供電或雙電源供電(AVDD和AVSS相互獨立)，數字電源可為1．8～3．3 V，模擬電源可設置為+5 V以接收單極性信號或設置為較低的±2．5 V內的雙電源，以接收真正的雙極性輸入信號。

2 在地震數據采集單元中的應用
2．1 采集單元的系統構成
    該單通道地震數據采集單元設計方案是在分布式地震數據采集系統設計理念的基礎上提出的，該數據采集單元可實現單通道地震波信號的原位數字化及數據存儲、通信功能，可有效去除模擬信號傳輸中的干擾信號，提高地震信號采集的質量，地震信號的數據處理、波形顯示和記錄功能，由控制主機完成。單通道地震數據采集單元的硬件主要由地震信號傳感器、模／數轉換器、微控制器、存儲器、電源管理模塊及串行通信接口構成，為達到低功耗、小體積、高精度、高分辨率的設計目的，地震信號傳感器選擇基于微電子機械系統(MEMS)技術的振動信號傳感器ADXL001，微控制器選用高性能、低電壓、16位RISC微控制器MSP430F123，此外，為滿足大數據量采集的應用需要外擴1個32 KBx8的低功耗FRAM芯片，經模／數轉換后的數據首先存入FRAM中，然后通過串行通信接口送到主機，圖3為單道地震數據采集單元的硬件組成框圖，設計中將模擬電路和數字電路分開供電，觸發電路用于實現采集與外部震源同步。

2．2 ADS1282的應用接口電路
    該數據采集單元主要用于陸地勘探，將模擬地震信號傳感器(簡稱地震檢波器)拾取的地震波信號轉換為數字信號，然后通過串行接口傳送到控制主機，為了提高采集信號的質量、有效去除環境造成的噪聲干擾，將傳感器輸出信號通過前端濾波網絡送入ADS1282的模擬輸入端，接入方式采用差模方式。設計中為提高勘探精度，保證采集信號的質量不會隨時間、地點、環境和條件而變化，ADS1282的另一對差分輸入端接標準信號源(信號源由專門電路產生)，在啟動正式數據采集之前可對標準信號進行采集以獲得相應的校準參數，然后對ADS1282內部的增益及失調檢測寄存器進行正確設置。
    圖4為地震信號傳感器與ADS1282輸入前端的應用接口電路，ADS1282采用±2．5 V電源供電。地震信號傳感器的輸出信號通過R1、R2及C1、C2、C3構成的濾波網絡去除高頻干擾，為保持良好的共模抑制特性，要求R1、R2匹配精度達到0．1％。電容C3與C1并聯可有效降低由于兩輸入端C1、C2不匹配引起的共模誤差，當C3比C1大10倍時，可將因C1、C2不匹配造成的共模誤差降低20倍。

    ADS1282是高精度模數轉換器，要獲得最佳性能在PCB設計時應將微控制器、振蕩器等噪聲較大的數字元件與轉換器、模擬前端分開放置，將數字元件放置在靠近電源輸入側以保持盡可能短的數字電流路徑，并與敏感的模擬元件分離。箝位二極管用于保護ADS1282的輸入信號瞬時超載，當輸入信號電平可能超出內部ESD二極管的額定值時該箝位二極管可對輸入提供保護。
    REF5025為ADS1282提供基準電壓，該基準輸出通過R5、C7濾波，電容C8為基準輸入信號提供高頻旁路功能，應將C8放置在靠近ADS1282的引腳端。R3、R4與內部300 Ω電阻形成分壓電路為ADS1282提供失調電壓，該失調可從通帶中除去低電平無用分量，注意該失調與PGA的設置是獨立的，該失調電阻同樣導致小的附加增益誤差。為了保持良好的共模抑制特性，R3、R4匹配精度應達到0．1％，且布線時直接連接到基準輸入端。
    電容C4用于濾除PGA輸出的瞬時干擾信號，該干擾信號是由于調制器采樣引起的，該電容同樣對輸入信號形成一個低通濾波器，具有25 kHz的截頻。

3 數據輸出接口電路
    ADS1282通過串行接口讀出轉換的數據并訪問設置寄存器，ADS1282以二進制補碼的格式提供32位轉換數據，其中最高位是符號位，‘0’表示是正數，‘1’表示是負數。
    ADS1282的串行接口是3線制SPI接口，它包括3個基本信號：SCLK、DIN及DOUT。當轉換數據準備好用于回讀時，可利用信號作為判斷標志，為輸出信號，當其變為低電平時表示新的轉換數據已準備好。
    數據在SCLK的上升沿移入DIN，而在SCLK的下降沿移出DOUT，若SCLK保持為低電平達64個周期，則數據傳輸或命令輸入將終止且SPI接口復位，下一個SCLK脈沖將啟動一個新的通信周期。當傳輸中斷或SCLK意外失效時可利用這一間歇特性恢復接口，當SCLK無效時需保持低電平。
    圖5為MSP430F123與ADS1282的數據傳輸及控制接口電路，圖中R1～R2取值為47 Ω，為了去除數字信號帶來的于擾，在布線時這些電阻應放置在發出信號的一側，例如信號是微處理器發出的，R1應放置在靠近MSP430F123的引腳附近，而DOUT信號是由ADS1282發出的，則R4應靠近DOUT引腳放置。

4 結束語
    ADS1282是高集成度的模／數轉換器，利用其片上提供的多路選擇器、可編程增益放大器、數字濾波器及增益、失調校準引擎，不僅可簡化采集系統的電路設計、降低功耗，同時可提高系統的穩定性，是高精度數據采集系統的理想選擇。但ADS1282是基于△-∑技術的模／數轉換器，存在較長的數據建立時間及通道延遲，只適合單通道、單A／D數據采集的應用，要獲得理想的采集精度，需對其內部的濾波器和校準寄存器進行正確設置，同時需在輔助電路、印刷電路板(PCB)設計時注意以下幾點：
    1)在PCB設計時應將微控制器、振蕩器等噪聲較大的數字元件與轉換器、模擬前端分開放置，將數字元件放置在靠近電源輸入側以保持盡可能短的數字電流路徑，并與敏感的模擬元件分離。
    2)將模擬電源與數字電源分開供電，布線時模擬地AGND和數字地DGND僅在一點處連接。
    3)為避免數字輸入時產生的紋波，在布線時可串接50 Ω左右的小電阻，并將電阻放置在信號源端(驅動端)，未使用的數字輸入端不能懸空，需將它們接DVDD或GND。
    4)如果模擬輸入信號存在較大的環境噪聲，需在模擬輸入前端加濾波電路。