ads1274多通道微弱电压信号同步采集系统开发

针对目前高精度测量及微纳尺度的测量技术发展 需 要 ， 本 文 开 发 了 一 种 基 于 ADS1274 的 多 通 道 微 弱 电 压 信 号 同 步 采 集 系 统 。 该 系 统 以 24 bit 高 精 度 A/D 转 换 模 块 为 核 心 ，构 成具有 高精 确度 、高 分 辨 率 的 信 号 同 步 采 集 系 统 。 相 比 传 统 式 测 量 或 采 用 频 分 复 用 技 术 的 系 统 [3]，它 从硬件上解决了多通道信号同步采集需求，同时软件操 作简单，且无需将输入信号放大，不会引入新的干扰源， 大大降低了电路结构的复杂程度，从而提高了系统可靠 性和数据测量准确度。
综合考虑系统要求, 选择 C8051F120 微 处 理 器 作 为 控 制 芯 片 。 C8051F120 单 片 机 具 有 高 速 、 流 水 线 结 构 的 与 8051 兼 容 的 CIP -51 内 核 ， 硬 件 实 现 的 SPI 和 两 个 UART 串行接口等。 采用 3.3 V 电压供电， 端口兼容 5V 电压， 最大系统时钟 频 率 可 达 100 MHz 。 (1)液晶显示模块。 为方便观察系统工作状态及人机 交 互 ， 选 用 可 显 示 汉 字 及 图 形 的 LCD12864 液 晶 作 为 显
Key words: weak voltage signal; acquisition; ADS1274; microprocessor
现代精密仪器技术的发展对微纳尺度的几何量测 量提出了更高的需求。 近年来，基于触觉式测头的坐标 测 量 技 术 已 逐 渐 取 代 了 传 统 的 测 量 方 法 [1-2]。 但 当 对 触 觉 式 测 头 施 加 1 nm 的 位 移 时 ， 电 桥 的 输 出 电 压 通 常 仅 为几十微伏。 由于被测信号非常微弱，在测量过程中各 种潜在的误差来源将会影响测量的准确度，如：测量系 统的内部噪声、外部干扰噪声、测试引线引起的误差等。
《 电 子 技 术 应 用 》 2014 年 第 40 卷 第 2 期
测 控 技 术 与 仪 器 仪 表 Measurement Control Technology and Instruments
系统硬件结构如图 2 所示，微弱电压信号采 集系统可分为 4 个模块：电源模块、信号调理模 块、A/D 转换模块和单片机系统模块。 其实现过 程如下： 外部传感器的差分信号传输至信号调 理 模 块 进 行 滤 波 和 调 理 ； 再 经 ADS1274 转 换 为 数 字 信 号 传 输 至 C8051F120 单 片 机 系 统 ； 单 片 机 系统将读取的数据进行数字滤波及运算后，显 示在液晶屏上。 2.1 信号调理模块
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多通道微弱电压信号同步采集系统开发 *
陈红远，郭天太， 吴俊杰， 叶 婷， 林汐倩 ( 中 国 计 量 学 院 计 量 测 试 工 程 学 院 ， 浙 江 杭 州 310018)
Chen Hongyuan, Guo Tiantai, Wu Junjie, Ye Ting, Lin Xiqian
(College of Metrology & Measurement Engineering , China Jiliang University , Hangzhou 310018, China )
A/D 转 换 模 块 的 性 能 好 坏 将 直 接 决 定 该 数 据 采 集 系 统 能 否 满 足 数 据 采 集 的 要 求 。 本 文 选 择 ADS1274 ， 采 用 △ -Σ 转 换 方 式 ， 采 样 速 率 可 达 144 kS/s ， 且 内 置 的 高 阶稳态斩波调节器实现了非常低的漂移和带内噪声。 在 提 供 2.5 V 的参考电压时,其 可 在 ±2.5 V 的 量 程 内 分 辨 低 至 0.149 μV 的 微 弱 电 压 。 ADS1274 转 换 模 块 电 路 设 计 如 图 4 所示。
图 1 系统总体结构
2 硬件设计 综 合 考 虑 系 统 的 精 度 和 量 程 需 要 ， 本 文 选 用 TI 公 司
的 24 bit 高 性 能 4 通 道 同 步 采 样 A/D 转 换 芯 片 ADS1274 ， 利 用 TPS7A7300 线 性 稳 压 器 和 TPS70451 双 电 压 输 出 模 块 设 计 系 统 电 源 ， 采 用 全 差 分 运 放 OPA1632 搭 建 差 分 输 入 电 路 作 为 A/D 输 入 端 的 信 号 调 理 ， 并 用 C8051F120 单 片 机 系 统 作 为 控 制 核 心 ， 用 LCD12864 液 晶 实时显示采集数据。
值
功能
11
低速模式
000 SPI 、 数 据 位 置 动 态
0
低 速 ( 5 . 4 MHz )
00
正常操作
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开始
启动 A/D 转换
主机时钟设置
读取转换数据
主机端口设置
Abstract: To satisfy the demands for multi -channel synchronous acquisition of small voltage signals in micro -and nano -scale measurement area , a synchronous acquisition system for multi -channel weak voltage signals based on ADS1274 is developed, which uses A/D converter as the core , high -performance microprocessor C8051F120 and peripherals as the control unit, and accomplishes 4 -channel voltage synchronous acquisition functions. Real -time display of measured values is realized through the design of LCD display circuit. Experimental results show that the system can realize the designed functions, with a resolution up to sub- μV level.
量值。 实验结果表明,该系统可实现预定功能，分辨率达到亚微伏级。
关 键 词 ： 微 弱 电 压 信 号 ； 采 集 ；ADS1274 ； 微 处 理 器
中 图 分 类 号 ： TM932
文献标识码： A
文 章 编 号 ： 0258-7998(2014)02-0078-03
Development of a synchronous acquisition system for multi-channel weak voltage signals
摘 要： 针对微纳尺度测量领域对微弱电压信号多通道同步采集的需求， 开发了一种基于
ADS1274 的 微 弱 电 压 信 号 同 步 采 集 系 统 。 该 系 统 以 A/D 转 换 模 块 为 核 心 ， 以 C8051F120 高 性 能 微 处 理
器与外围电路构成控制单元，具有 4 通道电压同步采集功能。 通过设计液晶显示电路，可实时显示测
由于系统采集的电压非常微弱， 在微伏量 级，而环境中的噪声和干扰的强度大约为零点 几毫伏，故在 A/D 采样前需对电桥输出信号进 行调理，以滤除环境噪声，提高共模抑制比。 信 号 调 理 电 路 原 理 图 如 图 3 所 示 ， 采 用 OPA1632 设计的差分输入方式， 可提高抗干扰能力，且 可方便地处理电桥输出的差分信号。 图中电阻 均为 1%精度， 且严格挑 选使 电路 参数尽 可能 对称 ；电 容 C46 、C47 当 A /D 工 作 在 低 功 耗 模 式 时 可 选 用 2.7 nF 的 电 容 ， 在 低 速 模 式 时 则 选 用 1.5 nF 的 电 容 ； 电 容 均 采 用 COG 封 装 陶 瓷 电 容 ，能 更 好 地 滤 除 干 扰 。 2.2 A/D 转换模块
表 1 ADS1274 模 式 配 置
图 3 信号调理电路
《 电 子 技 术 应 用 》 2014 年 第 40 卷 第 2 期
功能项 模式选择 数据格式选择 CLK 驱 动 控 制 测试模式选择
控制引脚 MODE [ 1 : 0 ] FORFMAT [ 2 : 0 ] CLKDIV TEST [ 1 : 0 ]
1 系统总体结构
多通道微弱电压信号同步采集系统主要完成三大
* 基 金 项 目 ： 浙 江 省 科 技 创 新 团 队 自 主 设 计 项 目 ( 2011R09024 - 15 ) ; 中 国 计 量 学 院 校 开 放 实 验 项 目 ( 201318 ) 资 助
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功能：4 通道信号同步采集、数据显示及数据传输。 系统 总 体 结 构 如 图 1 所 示 ， 其 中 信 号 调 理 电 路 配 合 ADS1274 高 性 能 A/D 芯 片 实 现 同 步 采取 A/D 芯 片 数 据 ，LCD12864 实 时 显 示 采 集 数 据 ， 通 过 功 能 键 选 择 RS232/RS422 将 测 量 数 据 传 输 至 PC 机 或 其 他 设 备 。
(2)基准电压设计。 基准电压电路如图 5 所示，采用 TI 公 司 生 产 的 低 噪 声 、 超 低 温 漂 的 精 密 基 准 电 压 器 件 REF5025 提 供 2.5 V 基 准 电 压 ， 并 通 过 OPA2350 高 速 单