開放型多通道高精度采集與實(shí)時(shí)處理模塊

摘要:  基于MUX、PGA、DCP、DAC、ADC、ISP/CPLD/FPGA、DSP等先進(jìn)IC，本文融大動(dòng)態(tài)范圍程控模擬前端調(diào)理（AFE）、高精度采集與實(shí)時(shí)處理、自校準(zhǔn)、自診斷、高速同步互聯(lián)和測(cè)量、控制、通信、計(jì)算機(jī)（MC3）一體化，對(duì)開放型、模塊化多通道高精度數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)處理模塊的經(jīng)典實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入分析。

關(guān)鍵詞: 開放型；多通道；高精度采集；實(shí)時(shí)處理

引言

數(shù)據(jù)采集與處理是現(xiàn)代儀器科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)，是利用微電子技術(shù)、信息技術(shù)等領(lǐng)域的最新研究成果以解決信息的獲取、傳輸、變換、存儲(chǔ)、處理與分析。其主要技術(shù)指標(biāo)包括通道增益、帶寬、采樣速率、分辨率、精度、通道緩存、數(shù)據(jù)記錄容量、實(shí)時(shí)性及通訊控制接口等。縱觀歷史，剖析現(xiàn)狀，展望未來(lái)，可以預(yù)見：數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將朝著高速度、高精度、高靈敏、高穩(wěn)定、高可靠、高環(huán)境適應(yīng)性和長(zhǎng)壽命的“六高一長(zhǎng)”的方向發(fā)展。基于先進(jìn)IC技術(shù)，本文致力于融大動(dòng)態(tài)范圍程控模擬前端調(diào)理、高精度連續(xù)采集與實(shí)時(shí)處理、自校準(zhǔn)、自診斷、高速同步互聯(lián)和測(cè)量、控制、通信、計(jì)算機(jī)(MC3)一體化對(duì)開放型、模塊化、數(shù)字化、多通道高精度數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)處理模塊的經(jīng)典實(shí)現(xiàn)方法作深入分析，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。

采集系統(tǒng)性能分析

“屬性完整，量值準(zhǔn)確”是數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)追求的終極目標(biāo)。采集系統(tǒng)諸多技術(shù)指標(biāo)中最為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精度、動(dòng)態(tài)范圍與采樣速率。采樣速率取決于ADC(模-數(shù)轉(zhuǎn)換器)本身，可通過(guò)器件選型來(lái)解決。而系統(tǒng)分辨率通常用最低有效位值(LSB)或ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)來(lái)衡量。動(dòng)態(tài)范圍(DR)和精度(衡量指標(biāo)：相對(duì)誤差)是決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。根據(jù)各自定義公式：

分析可知：影響采集系統(tǒng)性能的主要因素是ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)和輸入ADC的電壓范圍。為擴(kuò)大系統(tǒng)測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，除了選擇性能優(yōu)良的ADC芯片和充分抑制信號(hào)傳輸通道噪聲外，還需要將大動(dòng)態(tài)范圍的輸入電壓信號(hào)經(jīng)模擬前端進(jìn)行程控精密調(diào)理，實(shí)現(xiàn)ADC最佳輸入范圍。同時(shí)加上通道自動(dòng)調(diào)零和增益校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模擬通道系統(tǒng)誤差，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。

AFE經(jīng)典設(shè)計(jì)及自校準(zhǔn)方法

基于以上分析，為實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸入信號(hào)的高精度采集，采集通道模擬前端(AFE)應(yīng)包括輸入阻抗匹配、放大、衰減、濾波、偏置、自校準(zhǔn)和調(diào)零等功能單元。本文從開放性、模塊化與可程控角度出發(fā)，提出用MUX(復(fù)選開關(guān))，PGA(程控增益放大器)，DCP(數(shù)字可控電位器)，LPF(抗混迭濾波器，包括集成式程控濾波器)，DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換器)、ISP(系統(tǒng)內(nèi)可編程器件)/FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)構(gòu)建經(jīng)典高性能AFE，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集的高性能AFE經(jīng)典實(shí)現(xiàn)

經(jīng)典AFE模塊可作為一個(gè)獨(dú)立的單元通過(guò)接受MPU/DSP的程控選擇，在抑制噪聲、將大動(dòng)態(tài)范圍(