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[摘 要]本文基于Analog Device公司的24位模数转换芯片AD7712及Microchip公司的16位单片机PIC24设计了一款三通道数采系统，将磁通门传感器输出的电压信号数字化。该数采系统输入电压范围±10V，非线性度误差低于0.04%，峰峰值噪声低于0.1nT，采样频率10Hz，三轴采样间隔低于1ms。
[关键词]磁通门 AD7712 数采
中图分类号：TM725 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0039-01
引言
磁通门技术是当前的一门热门学科，磁通门传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等特点，并已广泛应用于航空磁测、地磁导航、地磁监测及剩磁测量等诸多领域。AD7712是Analog Device公司的一款24位∑-Δ型模数转换器，输入电压范围最大可达±4VREF（其中VREF为ADC参考电压），RMS噪声最低可达1μV。本文基于AD7712模数转换器和PIC24单片机设计了一款高精度、低频率及宽输入电压范围的数据采集系统，将磁通门传感器输出的模拟电压信号数字化，便于数据的分析与处理。
1 系统概况
我们研发的三轴磁通门传感器MS3A-04量程为±70μT，磁电转换系数为143μV/nT，其输出电压范围为±10.01V，分辨率为0.1nT，电压分辨率为14.3μV。由此可知三轴磁通门传感器数采系统的技术指标为：输入电压范围大于±10.01V，分辨率优于14.3μV。AD7712的电压输入范围为±4VREF，当VREF为2.5V时，输入电压范围为±10V，如果用AD7712对MS3A-04进行采样，只会损失0.001%的量程，完全可以接受。当AD7712的输出数据频率设为10Hz时，其RMS噪声为1μV，可以满足MS3A-04的分辨率。综上所述，数采系统的技术指标为：输入电压范围为±10V，输出数据频率为10Hz，分辨率0.1nT。
系统的组成框图如图1所示。电源部分为MS3A-04磁通门传感器、AD7712、PIC24单片机以及电平转换芯片SP3220提供电源，并为AD7712提供2.5V电压参考，磁通门传感器MS3A-04的三轴输出电压信号输入3片AD7712进行模数转换，3片AD7712与PIC24单片机通过串行接口进行通信，SP3220将单片机的TTL电平转换成232电平，使单片机能将采集的数据发送给上位机进行数据分析与处理。
2 硬件设计
2.1 电源设计
数采系统的电源部分具有极其重要的作用，供电电源的质量直接影响数采的噪声和分辨率，故电源器件的选型必须合理。整个系统采用12V铅蓄电池供电，电源部分框图如图2所示。按照供电的对象不同将电源部分分为模拟电源和数字电源，地线也分为模拟地和数字地，模拟电源和数字电源、模拟地和数字地之间通过磁珠隔离，降低数字电路的噪声对模拟电路的影响，以降低数采系统的噪声。
2.2 PIC24与AD7712接口设计
3片AD7712的SCLK管脚接到一起，通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB6管脚，这样3片AD7712可以共用同一时钟；3片AD7712的管脚接到一起，通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB8管脚，这样3片AD7712可以同步采样；3片AD7712的管脚接到一起，通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB9管脚；因为只对AD7712的控制寄存器进行写操作，而不对校准寄存器进行写操作，所以将与A0连在一起，共用一根控制线，3片AD7712的管脚接到一起，通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB10管脚，这样PIC24单片机可以同时往3片AD7712写命令；3片AD7712的SDATA管脚分别通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB7、RB11以及RB12管脚；3片AD7712的管脚分别通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB13、RB14以及RB15管脚，如图3所示。这种连接方式的优点在于可以同时对3片AD7712写命令。
3 测试结果
3.1 噪声测试
将MS3A-04放入屏蔽筒内正中央，使其X轴方向与屏蔽筒轴向垂直，采集200个点，得到X轴输出噪声幅度，如图3所示。
3.2 线性度测试
将磁通门传感器MS3A-04与数采系统相连，将磁通门传感器放入一个线圈系数为202nT/mA的亥姆霍兹线圈的均匀区中，使磁通门传感器的X轴与线圈的轴向平行，向线圈中通入不同电流。经过计算，X轴非线性度误差为0.04%。同理，可测得Y轴和Z轴的非线性度误差分别为0.04%、0.03%，该数采系统测出的非线性度误差与用Agilent 34410A万用表直接测MS3A-04得的非线性度误差在同一数量级。
3.3 同步性测试
用信号发生器产生一个峰峰值为10V，频率为0.5Hz的锯齿波，将AD7734的三路输入短接后连接到信号发生器的输出端。Y轴归一化电压与X轴输出电压之差的絕对值的最大值为1350μV，Z轴归一化电压与X轴输出电压之差的绝对值的最大值为1700μV。则可计算出Y轴与X轴采样间隔最大为275μs，Z轴与X轴采样间隔最大为340μs。考虑到信号发生器及数采系统的噪声，三轴实际采样间隔应小于上述值。可见数采系统三轴采样间隔小于1ms。
4 结束语
本文基于模数转换器AD7712和单片机PIC24设计了一款磁通门传感器数采系统，该数采系统输入电压范围为±10V，非线性度误差低于0.04%，峰峰值噪声低于0.1nT，采样频率10Hz，三轴采样间隔低于1ms，实现了磁通门传感器模拟电压输出的数字化。
参考文献
[1] Analog Devices，AD7712 LC2MOS Signal Conditioning ADC Technical DataSheet，2004：1—28
[2] 李晋华.基于AD7712的高精度数据采集系统的设计与实现[J].现代电子技术，2007（10）：39—43
[关键词]磁通门 AD7712 数采
中图分类号：TM725 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0039-01
引言
磁通门技术是当前的一门热门学科，磁通门传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等特点，并已广泛应用于航空磁测、地磁导航、地磁监测及剩磁测量等诸多领域。AD7712是Analog Device公司的一款24位∑-Δ型模数转换器，输入电压范围最大可达±4VREF（其中VREF为ADC参考电压），RMS噪声最低可达1μV。本文基于AD7712模数转换器和PIC24单片机设计了一款高精度、低频率及宽输入电压范围的数据采集系统，将磁通门传感器输出的模拟电压信号数字化，便于数据的分析与处理。
1 系统概况
我们研发的三轴磁通门传感器MS3A-04量程为±70μT，磁电转换系数为143μV/nT，其输出电压范围为±10.01V，分辨率为0.1nT，电压分辨率为14.3μV。由此可知三轴磁通门传感器数采系统的技术指标为：输入电压范围大于±10.01V，分辨率优于14.3μV。AD7712的电压输入范围为±4VREF，当VREF为2.5V时，输入电压范围为±10V，如果用AD7712对MS3A-04进行采样，只会损失0.001%的量程，完全可以接受。当AD7712的输出数据频率设为10Hz时，其RMS噪声为1μV，可以满足MS3A-04的分辨率。综上所述，数采系统的技术指标为：输入电压范围为±10V，输出数据频率为10Hz，分辨率0.1nT。
系统的组成框图如图1所示。电源部分为MS3A-04磁通门传感器、AD7712、PIC24单片机以及电平转换芯片SP3220提供电源，并为AD7712提供2.5V电压参考，磁通门传感器MS3A-04的三轴输出电压信号输入3片AD7712进行模数转换，3片AD7712与PIC24单片机通过串行接口进行通信，SP3220将单片机的TTL电平转换成232电平，使单片机能将采集的数据发送给上位机进行数据分析与处理。
2 硬件设计
2.1 电源设计
数采系统的电源部分具有极其重要的作用，供电电源的质量直接影响数采的噪声和分辨率，故电源器件的选型必须合理。整个系统采用12V铅蓄电池供电，电源部分框图如图2所示。按照供电的对象不同将电源部分分为模拟电源和数字电源，地线也分为模拟地和数字地，模拟电源和数字电源、模拟地和数字地之间通过磁珠隔离，降低数字电路的噪声对模拟电路的影响，以降低数采系统的噪声。
2.2 PIC24与AD7712接口设计
3片AD7712的SCLK管脚接到一起，通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB6管脚，这样3片AD7712可以共用同一时钟；3片AD7712的管脚接到一起，通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB8管脚，这样3片AD7712可以同步采样；3片AD7712的管脚接到一起，通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB9管脚；因为只对AD7712的控制寄存器进行写操作，而不对校准寄存器进行写操作，所以将与A0连在一起，共用一根控制线，3片AD7712的管脚接到一起，通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB10管脚，这样PIC24单片机可以同时往3片AD7712写命令；3片AD7712的SDATA管脚分别通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB7、RB11以及RB12管脚；3片AD7712的管脚分别通过100Ω电阻器隔离后连接到PIC24单片机的RB13、RB14以及RB15管脚，如图3所示。这种连接方式的优点在于可以同时对3片AD7712写命令。
3 测试结果
3.1 噪声测试
将MS3A-04放入屏蔽筒内正中央，使其X轴方向与屏蔽筒轴向垂直，采集200个点，得到X轴输出噪声幅度，如图3所示。
3.2 线性度测试
将磁通门传感器MS3A-04与数采系统相连，将磁通门传感器放入一个线圈系数为202nT/mA的亥姆霍兹线圈的均匀区中，使磁通门传感器的X轴与线圈的轴向平行，向线圈中通入不同电流。经过计算，X轴非线性度误差为0.04%。同理，可测得Y轴和Z轴的非线性度误差分别为0.04%、0.03%，该数采系统测出的非线性度误差与用Agilent 34410A万用表直接测MS3A-04得的非线性度误差在同一数量级。
3.3 同步性测试
用信号发生器产生一个峰峰值为10V，频率为0.5Hz的锯齿波，将AD7734的三路输入短接后连接到信号发生器的输出端。Y轴归一化电压与X轴输出电压之差的絕对值的最大值为1350μV，Z轴归一化电压与X轴输出电压之差的绝对值的最大值为1700μV。则可计算出Y轴与X轴采样间隔最大为275μs，Z轴与X轴采样间隔最大为340μs。考虑到信号发生器及数采系统的噪声，三轴实际采样间隔应小于上述值。可见数采系统三轴采样间隔小于1ms。
4 结束语
本文基于模数转换器AD7712和单片机PIC24设计了一款磁通门传感器数采系统，该数采系统输入电压范围为±10V，非线性度误差低于0.04%，峰峰值噪声低于0.1nT，采样频率10Hz，三轴采样间隔低于1ms，实现了磁通门传感器模拟电压输出的数字化。
参考文献
[1] Analog Devices，AD7712 LC2MOS Signal Conditioning ADC Technical DataSheet，2004：1—28
[2] 李晋华.基于AD7712的高精度数据采集系统的设计与实现[J].现代电子技术，2007（10）：39—43