多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

工業(yè)測量系統(tǒng)常常必須對來自多個信號源的信號進行數(shù)字化處理，可采用幾種方式來實現(xiàn)這種處理。在圖1a中，模擬多路復用器(MUX|0">MUX)在來自8個模擬傳感器的輸入信號中進行選擇，然后MUX將輸出信號饋送給信號調(diào)節(jié)放大器，信號調(diào)節(jié)放大器將輸出信號饋送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。目前普遍采用集成了多路復用器和ADC的IC，但也可以購買分離的元件。

圖1a描述的這種方法采用輸出并行數(shù)據(jù)的快速ADC時的工作效果很好。圖1b給出了一種備選方案，在這個示例中，數(shù)字MUX選擇多個串行輸出ADC，該方法的優(yōu)勢是能在傳感器端進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。通常情況下，DSP的選型和DSP的輸入格式?jīng)Q定了采用哪種方法。

在以上任何一種方案中，微控制器通常都會控制MUX。微控制器將按次序采集每個經(jīng)過數(shù)字化的信號并對其進行處理，或者將數(shù)據(jù)存儲在分配給提供該數(shù)據(jù)的通道的存儲器中。

多路復用器

采用一個集成了MUX的芯片來設(shè)計多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是最佳選擇，因為芯片設(shè)計工程師解決了系統(tǒng)設(shè)計工程師可能面臨的很多設(shè)計問題。

如果采用分離的多路復用器，設(shè)計工程師則應(yīng)該了解數(shù)據(jù)表中列出的一些特性參數(shù)。圖2是用于單端信號的獨立八輸入多路復用器的結(jié)構(gòu)框圖，該器件的數(shù)據(jù)表列出了穩(wěn)定時間和開關(guān)時間的特性參數(shù)。

多路復用器的CMOS FET開關(guān)的柵-源極電容和柵-漏極電容，以及源極和負載的RC時間常數(shù)都會影響穩(wěn)定時間。設(shè)計工程師必須考慮這么一個事實：當負載和源極的電容增加時，源極和負載端的開關(guān)瞬態(tài)振幅將降低。

減小開關(guān)瞬態(tài)振幅的一種折衷方法是增加穩(wěn)定時間。圖3給出的多路復用器數(shù)據(jù)表列出了源極阻抗對穩(wěn)定時間的影響。

圖2：對大多數(shù)元器件來說，多路復用器芯片是一個相當簡單的器件。

穩(wěn)定時間是MUX數(shù)據(jù)表中另外一個重要特性參數(shù)，它是新的數(shù)字代碼被施加到通道地址輸入端之后，CMOS FET導通所需要的時間。在通道之間的信號電平有10V變化的情況下，通過測量從地址輸入信號的50%到輸出端模擬信號的90%之間的時間，可得到穩(wěn)定時間。

圖3：穩(wěn)定時間和開關(guān)時間是選擇獨立的多路復用器芯片時兩個重要的考慮因素。

實際考慮：一個設(shè)計示例

為了理解如何設(shè)計一個多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這里考慮一個用于病人監(jiān)視器的子系統(tǒng)(圖4)，然后針對培訓課程進行開發(fā)，整個設(shè)計過程非常具有指導意義。

這種系統(tǒng)的模擬輸入來自監(jiān)視體溫的熱敏電阻、稱重傳感器(測量體重的應(yīng)變計)、測量心率的光電傳感器，以及用于語音輸入的麥克風。外部器件包括一個DSP和一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，但本例重點在信號鏈路和ADC上。

圖4：這是文章中描述的病人監(jiān)視器的基本功能。

系統(tǒng)需求

系統(tǒng)規(guī)格要求最高稱重量為100kg，精度為1kg，分辨率為12位。由于這種信號改變較慢，所以最大帶寬僅需為10Hz。

經(jīng)過選擇的溫度傳感器可以測量23℃～43℃范圍內(nèi)的體溫，分辨率為0.01℃，但精確度只有±2℃。監(jiān)視心率的光學傳感器必須具備每分鐘感應(yīng)60～120次心跳的能力，因此所需帶寬僅為1～2Hz。但由于它是一個光學傳感器，所以必須抑制來自室內(nèi)照明的干擾。為簡單起見，假設(shè)使用這種產(chǎn)品的地區(qū)的電源線頻率為60Hz。麥克風通道必須能夠傳輸300～4,000Hz的音頻信號。

四個通道的模擬信號帶寬要求總結(jié)如下：體重和體溫通道需要0.1～10Hz的帶寬，心率通道需要10Hz的帶寬，音頻通道則需要4kHz的帶寬。根據(jù)這些系統(tǒng)要求可得到更加詳細的系統(tǒng)框圖 。圖5是具有增益模塊、濾波器和其它元件的系統(tǒng)框圖。

圖5：圖4中的簡單框圖可通過不同方式得以擴展，這是在文章中進行了說明的版本。

評估時序需求

從時序角度看，為抑制來自室內(nèi)照明的干擾，心臟監(jiān)視器的采樣速率應(yīng)為60Hz的n倍，其中n為整數(shù)，這意味著采樣時間等于16.667µs/n。在本例中，n等于155時，采樣速率為9.3ksps。系統(tǒng)設(shè)計工程師必須考慮這個采樣速率對于其它通道是否可行。

語音通道要求帶寬為4kHz，因此Nyquist判據(jù)要求最低采樣速率為ksps。因此，只要抗混疊濾波器具有足夠高的截止頻率，9.3ksamples/s的采樣速率就可以了。(在本培訓課程的例子中采用了二階Butterworth低通濾波器，其衰減特性為-12dB/倍頻程，這對語音質(zhì)量的音頻信號來說已足夠。)

稱重傳感器和體溫傳感器僅需要10ksps的采樣速率。過采樣可以提高分辨率，例如，以2.56ksps進行采樣(系數(shù)為4⁴)可以有效地將分辨率增加到原來的4倍，因此這個采樣速率對稱重傳感器而言是有效的。這種分析基于連續(xù)逼近寄存器(SAR)轉(zhuǎn)換器，它允許每個通道均以9.3ksps的速率進行采樣。這樣，系統(tǒng)對采樣速率的要求就會提高到原來的4倍，即37.2ksps(圖6)。

圖6：基于SAR ADC的設(shè)計使每個通道都具有相同的時序。

也可以采用帶四個差分輸入的Δ-Σ轉(zhuǎn)換器，但它并不是對所有通道都采用相同的時序，而是有必要降低體溫和稱重傳感器通道的采樣速率，從而給音頻和心率通道留出足夠的采樣速率。

采用Δ-Σ ADC有幾個優(yōu)勢，比如，過采樣以及隨之降低的抗混疊要求可能消除SAR轉(zhuǎn)換器所需要的抗混疊濾波功能。另外，由于轉(zhuǎn)換器可以提供24位的分辨率，而系統(tǒng)僅使用4,096個左右的代碼，所以Δ-Σ轉(zhuǎn)換器完全不需要在轉(zhuǎn)換器前面加設(shè)增益級。具有Δ-Σ轉(zhuǎn)換器的設(shè)計可減少前端RC低通濾波器的抗混疊濾波器，并且稱重傳感器、熱敏電阻和麥克風也不再需要增益元件。

圖7：基于多路復用Δ-Σ ADC的設(shè)計需要對信號進行不同的處理。

IC選擇：多通道ADC

時序建立好之后，下一步就是選擇合適的ADC。為了使轉(zhuǎn)換器的精度達到12位，無論轉(zhuǎn)換器采用什么樣的架構(gòu)，每個通道的信噪比+失真(SINAD)性能都必須至少為70dB，這是因為有效位數(shù)=(SINAD+1.76)/6.02。

積分非線性(INL)應(yīng)小于1LSB，以便為所有四個通道提供信號。為了使用于培訓課程的設(shè)計具有成本效益，選擇具有較寬滿量程輸入范圍(0～4.096V)的器件。

圖8：所有設(shè)計都包括一個外部電壓基準。

IC選擇：電壓基準

無論最終設(shè)計采用內(nèi)置多路復用器的ADC，還是采用4個獨立的ADC通道，精確的基準電壓對ADC和傳感器的供電來說都是必需的。在許多案例中，這可能意味著系統(tǒng)需要分離的電壓基準(圖8)。

IC選擇：分離的IC器件(多路復用器)

分析實現(xiàn)一個帶有分離的輸入多路復用器、信號調(diào)節(jié)放大器和ADC的相同的四通道設(shè)計的成本很有意義。四通道多路復用器所需的特性包括：低導通電阻、聲明“芯片使能”信號之后的延遲時間為0.37µs、誤差為施加信號的0.01%時的穩(wěn)定時間少于1.85µs(圖9)。

圖9：單通道SAR的穩(wěn)定時間小于1.85µs。

IC選擇：分離的IC(放大器)

用于信號調(diào)節(jié)的每個放大器都需要接受分別來自稱重傳感器和體溫傳感器、光學心率傳感器以及麥克風的14.1mV、20mV和85mV左右的輸入電壓擺幅。對除音頻之外的所有通道來說，800Hz是可接受的帶寬。當然，音頻通道要求帶寬為4kHz。其它令人滿意的技術(shù)規(guī)格還包括低輸入偏置和噪聲。

時序要求決定了穩(wěn)定時間，這是一個至關(guān)重要的考慮因素。(功率放大器數(shù)據(jù)表中的穩(wěn)定時間是指輸出端穩(wěn)定在滿量程的±1/2 LSB內(nèi)所用的時間。一個12位系統(tǒng)將要求穩(wěn)定后誤差在滿量程為4096個刻度的半個刻度內(nèi)，即0.01%。在采用正交SAR ADC的設(shè)計案例中，轉(zhuǎn)換之后必需的等待時間(18.5µs)決定了穩(wěn)定時間。

設(shè)計要求放大器的帶寬大于800kHz，0.01%穩(wěn)定時間小于1.85ms，失調(diào)電壓低于0.5mV，輸出擺幅小于10mV。(輸出擺幅規(guī)格定義了放大器的輸出與電源電壓軌的接近程度。對于電源電壓V_DD等于5V，滿量程輸出等于4.096V放大器來說，4mV輸出擺幅是必需的。)

在培訓示例中，需要認真選擇放大器，使放大器的輸出擺幅應(yīng)盡可能接近電壓軌。但是，這并非是最重要的考慮因素。應(yīng)該首先排除沒有合適帶寬的放大器，然后再考慮輸出擺幅。帶寬和穩(wěn)定時間是最重要的選擇標準。

IC選擇：獨立器件(ADC)

ADC是最后要選擇的器件。采用類似于選擇內(nèi)置四通道MUX的ADC的選擇標準，可以找到合適的單通道SAR ADC。

最后步驟

圖10a至圖10d說明了用于在本例四個模擬通道中進行信號調(diào)節(jié)的方法。在培訓習題中，利用互聯(lián)網(wǎng)上的千片定購價信息，對采用多路復用ADC和分離的ADC的設(shè)計分別所需的材料成本進行比較。它們的成本當然有所不同，但如果不考慮開發(fā)成本，采用這三種方法設(shè)計的材料成本大致相同(見表)。如果將開發(fā)成本考慮在內(nèi)，則采用多通道ADC的方法比較有優(yōu)勢。

最好的實際設(shè)計考慮方式

在實際應(yīng)用中，設(shè)計工程師必須考慮：采用模擬MUX還是采用數(shù)字MUX？MUX是分離的還是集成？由于ADC廠商已經(jīng)簡化了與ADC的接口，因此集成的模擬MUX將更容易使用。如果MUX未被集成到ADC中，那么設(shè)計工程師將面對端口和PCB布線等硬件設(shè)計問題。如果使用在目前的設(shè)計環(huán)境非常具有吸引力的數(shù)字MUX，則必須考慮ADC接口問題(I²C、SPI或并行接口)，以及所選的DSP是否可以與其一起工作。

如果MUX是分離的，則下一步要選擇ADC，并定義時序、數(shù)字存儲器需求和DSP端口。目前，大多數(shù)芯片供應(yīng)商都提供在線設(shè)計幫助，因此確定哪些來自不同公司的免費設(shè)計工具是可用的也至關(guān)重要。同樣重要的是必須確定能與ADC配合使用的DSP。然后考慮端口、存儲器、處理速度，并再次確定必需的設(shè)計工具，再下一步是設(shè)計模擬信號路徑和電壓基準部分的電路。當然，這個過程是需要反復的。

總之，最好首先設(shè)計ADC與DSP的接口，包括影響與ADC接口的DSP編程部分，這樣你就可以毫不費勁地獲得系統(tǒng)設(shè)計后續(xù)步驟的結(jié)果。然后，設(shè)計每個獨立的模擬通道并驗證其性能。最后，將系統(tǒng)中的所有通道整合在一起，并對性能進行調(diào)試和驗證。

本文由德州儀器(TI)公司贊助