基于串行總線的測量儀器模擬節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

0 引 言
智能測量儀器作為信息獲取工具，是一種集多個(gè)門類、多種學(xué)科技術(shù)于一體的復(fù)雜有機(jī)體。隨著測試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代智能測量儀器不但對(duì)功能、性能、精度和指標(biāo)的要求越來越高，而且對(duì)系統(tǒng)可靠性、可維修性的要求也越來越高。因此，這就要求測量儀器具有完備的內(nèi)建測試(build intest，BIT)功能以及自我調(diào)節(jié)和補(bǔ)償能力，以使測量儀器系統(tǒng)本身具備測試、診斷和故障定位的能力以及適應(yīng)各種環(huán)境、溫度和器部件性能變化的能力。
但是，智能測量儀器要具備這些測試、診斷以及調(diào)節(jié)、補(bǔ)償能力，必須首先對(duì)整個(gè)測量儀器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，然后通過對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行分析和處理，從而進(jìn)行進(jìn)一步的故障定位或調(diào)節(jié)補(bǔ)償。這些狀態(tài)主要包括環(huán)境溫度以及電路板上各關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、功率等，由于都是模擬量，故常稱這些分布在電路板上的觀測節(jié)點(diǎn)為模擬節(jié)點(diǎn)?？梢?，對(duì)智能測量儀器工作環(huán)境以及各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模擬量的檢測是智能測量儀器內(nèi)建測試以及調(diào)節(jié)補(bǔ)償?shù)那疤岷突A(chǔ)，也是智能測量儀器可測性設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，需要認(rèn)真對(duì)待。
下面介紹一種基于串行總線的智能測量儀器模擬節(jié)點(diǎn)信號(hào)監(jiān)測電路的沒計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。

1 模擬節(jié)點(diǎn)信號(hào)監(jiān)測設(shè)計(jì)原理
典型的電路板模擬節(jié)點(diǎn)監(jiān)測電路通常由信號(hào)檢測通道、信號(hào)調(diào)理電路、多路選擇開關(guān)、采樣／保持電路、A／D轉(zhuǎn)換電路以及處理器接口和控制邏輯等構(gòu)成，如圖1所示。

信號(hào)檢測通道主要用來探測電路板上各探測點(diǎn)的溫度、電流、電壓等模擬量，通常針對(duì)不同探測對(duì)象而使用不同的傳感器、檢波器或相關(guān)電路將待檢測信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的電流或電壓信號(hào)。
信號(hào)調(diào)理電路是為了保證A／D轉(zhuǎn)換的精度而在模擬輸入信號(hào)進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器之前首先進(jìn)行的必要處理，以有效濾除不需要信號(hào)的影響，改善信號(hào)質(zhì)量，提高信噪比，增強(qiáng)信號(hào)的抗下擾能力，保證輸入信號(hào)符合A／D轉(zhuǎn)換器并處于其最佳轉(zhuǎn)換范同。信號(hào)調(diào)理所采用的技術(shù)通常包括增謐放大、衰減、濾波、整流、檢波信號(hào)轉(zhuǎn)換等。多路開關(guān)是為了簡化電路和降低成本而保證多個(gè)模擬節(jié)點(diǎn)共用同一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)，以方便通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)某一路模擬艟的轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)常用的有機(jī)械觸點(diǎn)式和電子式2種，通常需要根據(jù)通道數(shù)目、輸入方式(單端還是差分輸入)、電平高低、切換時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間、通路問所允許的最大串繞誤差以及控制方式等加以綜合考慮選擇。
當(dāng)模擬節(jié)點(diǎn)輸入信號(hào)的頻率較高時(shí)，為減小A／D轉(zhuǎn)換的孔徑誤差常設(shè)計(jì)使用采樣／保持電路。采樣保持器通常根據(jù)輸入信號(hào)范圍、輸入信號(hào)變化率、采樣開關(guān)切換速度以及采樣誤差的允許范圍等選擇。如果輸入模擬信號(hào)頻率較低，A／D轉(zhuǎn)換相對(duì)足夠快或A／D集成了采樣保持器時(shí)則可以省略采樣保持器的設(shè)計(jì)。
A／D轉(zhuǎn)換器足模擬輸入通道的關(guān)鍵器件，用來將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便由處理器進(jìn)行一系列的后續(xù)處理。A／D轉(zhuǎn)換器件種類很多，選擇時(shí)需綜合考慮分辨力、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度和功耗等指標(biāo)。一般地，A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選取應(yīng)根據(jù)被測電路的模擬輸入信號(hào)的變化范圍和A／D轉(zhuǎn)換器量化誤差及量化噪聲等綜合考慮。