基于24位高精度A/D轉換器實現多通道數據采集系統的設計

引 言

∑一△A/D轉換技術以其高分辨率和大的動態范圍在數據采集系統中得到了廣泛應用：但∑一△A/D轉換器通常采用串行傳輸，因此由它實現的采集系統大多包含串并轉換單元。為了達到系統設計簡化，降低系統成本的目的，探討一種直接用串行傳輸的多通道數據采集系統的方法十分有必要。

采用∑一△A/D有三個優點：第一是∑一△A/D轉換器的前端無需設置大陡度的抗混疊模擬濾波器，也無需設置采樣保持電路；其次，由于∑一△A/D可直接對大動態范圍的模擬信號進行高精度的轉換，無需加上程控放大器；最后，由于∑一△A/D一般都采用串行方式進行數據傳輸，如果系統設計得當的話，接口電路將會非常簡潔。

CS5321和CS5322分別是∑一△調制器和可編程多級FIR線性相位數字抽取濾波器。二者結合，可得到24位高精度A/D轉換器

系統，它們的接口電路如圖1所示。CS5321的工作頻帶為O～1500 Hz，可輸出兩種不同速率的過抽樣1位∑一△位流。CS5322是為CS5321設計的專用數字抽取濾波器，它是一個抽樣率可變的3級抽取數字濾波器，通過對它的DECC、DECB、DECA三個控制位編程可以得到4 kHz、2 kHz、1 kHz、500 Hz、250 Hz、125 Hz、62.5 Hz 七種不同的輸出抽取率，輸出的字長為24位，并且在串行口讀工作方式下以位流的形式從CS5322的SOD引腳輸出。

根據CS5321和CS5322的這些特點，在選擇系統的中央處理及控制單元的時候，最好選擇字長為32位的帶有串行口的DSP或其他的微處理器。

1、系統的總體接口

基于以上介紹及整個系統采用串行傳輸的考慮，采集系統的總體接口框圖如圖2所示。

由圖1可見，多通道模擬信號先經過前置放大器送到各自的∑一△A/D轉換器，得到的多通道數字信號在多路控制電路的作用下，通過串行口傳輸到中央處理控制單元，經過適當的處理后可以送入存儲器中存儲。整個系統設計的關鍵在于多通道的串行口接口設計，下面予以介紹。

2、多通道串行接口的設計原理與實現

由前面介紹可知，CS5322輸出為24位串行比特流，只需要加入少量的多路控制邏輯，就能夠實現多通道的A/D轉換器與DSP的直接連接，幾乎不需要加入其他的任何接口邏輯電路。下面從分析∑一△A/D轉換器的工作時序開始，詳細介紹該采集系統的原理及具體實現。

2.1 ∑一△A/D轉換器的串口讀操作時序

由CS5321/CS5322組成的∑一△A/D轉換器的串行口讀操作時序如圖3所示。

當CS5321/CS5322的輸入時鐘（CLKIN）為1 MHz時，調制器（CS5321）輸出速率為256 Kb/s的串行抽樣比特流。通過對CS5322的抽取率控制位（DECC、DECB、DECA）的不同賦值，可以產生7種不同的輸出字率（即采樣頻率），字長為24位。CS5322的初始化可以通過軟件編程，也可以通過硬件直接置位完成。具體采用哪種方法，可以根據系統的需要來選擇。

CS5322 的 DRDY為數據準備好信號引腳。當DRDY為高電平時，表示CS5321/CS5322組成的∑一△A/D轉換器已經進行完一次轉換，并已由CS5322將數據在其輸出緩沖器中準備好，數據可以從串行口輸出。CS5322中讀操作控制插針有CS、R/W、SCLK、SOD。當CS=O且R/W=1時，串行口處于讀操作有效。RSEL引腳用來選擇串口輸出的是數據緩沖器，還是狀態緩沖器的數據，SOD為串行數據輸出插針。當讀狀態被選擇后，不管SCLK是高電平還是低電平，第一位輸出數據都會在SOD插針出現，并且在SCLK的下降沿終止。第一個SCLK下降沿后，每一個SCLK的上升沿從SOD引腳輸出一位數據。輸出的位流順序為高位（MSB）在前低位（LSB）在后。

2．2 多通道串行接口的原理

通過以上對CS5322的串行讀操作時序的分析，可以得到利用CS5321/CS5322實現的多通道數據采集系統的傳統方案。以M通道為例，系統的框圖如圖4所示。

在由CS5321/CS5322組成的∑一△A/D轉換器的多通道采集系統中，傳統方案如圖4所示。通過控制器輪流接通各道的DRDY信號，在DRDY為高電平時各道輪流從SOD引腳將數據輸出到控制器。由CS5321/CS5322所組成的∑一△A/D轉換器的采樣率，由DECC、DECB、DECA三位設定，可以為62．5 Hz～4 kHz等7種。對應每一種采樣率，所要求的移位時鐘（SCLK）的最低頻率fmin=fs×24（fs為采樣率）。在典型用法中，只需要根據采樣率要求設計一個時鐘源，使它的頻率略高于，fmin即可。時序示意如圖5所示。

2.3 對傳統方案的改進

按照上述方案，雖然可以完成多通道數據采集系統的設計，但是用這種方案設計的多通道數據采集系統完成一次多道數據采集傳送的周期（T=m×24/fs）很長，特別是圖5 傳統方案的多通道數據采集時序示意圖隨著m的增大，即通道數的增加，T將成倍增加。

通過對CS5321/CS5322的進一步研究發現，CS5322對SCLK要求的最小周期可以為100 ns，遠遠高于傳統的設計方法所采用的移位時鐘頻率。因此，可以通過加快串行移位時鐘（SCLK）來加快讀出數據的速率，從而實現在一個采樣周期內讀出多道的數據。假設SCLK的頻率為fb，則每道的24位的數據需要的移位時間為tm=24/fb，又采樣周期為Ts=1/fs（fs可以為62.5 Hz、125 Hz、

250 Hz、500 Hz，1 kHz、2 kHz、4 kHz），fb的最大值可以達到10 MHz，只要適當提高fb就可以使tm《Ts，這樣在一個采樣周期里最多可以完成Ts/tm道數據傳送，大大地提高了多通道數據采集傳送的速度。例如，當fs=1 kHz，fb=1 MHz，則由以上分析可知，理論上一個采樣周期里最多可以傳送42個通道的串行數據?？紤]到器件延時等多種因素，實際應用中應比此理論值小。

改進后的連線框圖，是在圖4的基礎上去掉虛線部分，直接將第一通道的DRDY與FSR相連即可。改進方圖6 改進方案的多道數據采集時序示意圖改進后的多路∑一△A/D轉換器同時進行卷積運算和數據轉換，并幾乎同時產生DRDY信號，但只有第一道的DRDY信號接到控制器的幀同步引腳（FSR），來觸發處理器的串口接收1幀數據。各通道的片選CSl、CS2……CSm由控制器在一個采樣周期里依次選中，各通道的SOD引腳都直接連接到控制器的DR引腳，整個系統的移位時鐘可以由外部時鐘源提供，也可以由控制器產生。

整個系統的數據采集過程如下：①初始化，啟動A/D。②將A/D轉換器的R/W置高電平，并設置采樣率。③當DRDY變為高電平，同時使CSl有效，開始第一道數據采集；當24位數據全部接收完畢，第一道完成，使CS2有效，開始第二道采集，依次完成M道數據采集。④將數據存儲并處理。

3、結 語

目前，基于CS5321與CS5322的多路數據采集系統在石油勘探、地震數據采集領域已經得到應用。與其他具有相應用途的數據采集系統相比，本系統的采集速率更快，精度更高，實時性更好。本文介紹的多通道數據采集系統的設計思想有一定的通用性，并且對傳統方案作了一些改進，可以進一步提高整個系統的采集速率。

責任編輯：gt