關(guān)于模擬數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)權(quán)衡的分析與研究

模擬采集部分是所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心。微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器、固件、軟件驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)和軟件應(yīng)用都可能構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的大腦，但它們實(shí)際上還是模擬電路。要針對(duì)某種應(yīng)用建立一個(gè)有必要的速度、分辨率和精度的系統(tǒng)，需要尋找模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、運(yùn)放、復(fù)用器和電壓基準(zhǔn)的正確組合。
　
圖 1 是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中通過基本模擬信號(hào)的路徑。每個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都要使用這種基本配置的某種形式。為每個(gè)元件所做的選擇會(huì)影響到對(duì)其他元件的選擇。

　　
模擬信號(hào)路徑開始于輸入連接器。多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)在模擬電路前采用某種形式的電路保護(hù)。例如保險(xiǎn)絲或箝位二極管等元件可以限制進(jìn)入系統(tǒng)的電壓或電流，以保護(hù)元器件不會(huì)損壞。
　　
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很少采用單一的測(cè)量通道。數(shù)字萬用表（DMM）一般只有一個(gè)通道，但可以用繼電器與 DMM 結(jié)合來增加通道數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（無論是插件板、USB 模塊或獨(dú)立系統(tǒng)）每個(gè)通道都可能有一個(gè)專用的 ADC，或只有一個(gè) ADC，由復(fù)用器（mux）連接到多個(gè)通道。每個(gè)通道都有專用 ADC 使系統(tǒng)的所有通道可以同時(shí)采樣。
　　
在復(fù)用器之后（如果系統(tǒng)使用的話），可編程增益放大器（PGA）對(duì)來自傳感器或其他信號(hào)源的輸入電壓進(jìn)行放大或衰減，使之最佳地適配 ADC 的輸入電壓范圍。有些系統(tǒng)可能采用第二只運(yùn)放，它為輸入信號(hào)增加了一個(gè) DC 偏置電壓。偏置電壓用于使信號(hào)偏移，使之定位于 ADC 輸入范圍的中心。因此，ADC 輸入電壓范圍就是選擇 PGA 的主要因素。
　　
也可以使用附加的箝位電路來保護(hù) ADC。在 ADC 之前，大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者都增會(huì)加一個(gè)低通抗混疊濾波器。這個(gè)濾波器用于限制信號(hào)路徑的帶寬，在 ADC 進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化以前盡可能減少混疊的最后機(jī)會(huì)。
　　
要成功地?cái)?shù)字化模擬信號(hào)，ADC 需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓 Vref。有些 ADC 帶有內(nèi)部基準(zhǔn)，而其他則采用外接基準(zhǔn)源。
Keithley Instruments 公司的高級(jí)總工
程師 Kevin Cawley 說：“我們偏向于外接電壓基準(zhǔn)。我們認(rèn)為，外接電壓基準(zhǔn)要比內(nèi)置的更穩(wěn)定?！?br />　　
United Electronic Industries（UEI）的工程經(jīng)理 Alex Ivchenko 進(jìn)一步說：“如果你用外接基準(zhǔn)，就可以通過控制 ADC 基準(zhǔn)電壓來調(diào)節(jié)輸入路徑的增益。如果輸入電壓太高，就需要提供一個(gè)更高的 Vref?！?br />　　
ADC 的數(shù)字輸出可以是串行方式，也可以是并行方式。串行總線能提供更好的模擬性能，因?yàn)樵谝粋€(gè)給定時(shí)間內(nèi)只有較少的線路需要改變，可以盡量減少在電源與地線上的反跳，并降低了總系統(tǒng)噪聲。但是，對(duì)于相同的位數(shù)，串行接口運(yùn)行的時(shí)鐘頻率高于并行總線，因此,必須小心地發(fā)送信號(hào)以減少噪聲。
　　
ADC 的選擇
　　
ADC 的選擇涉及很多必須考慮的設(shè)計(jì)權(quán)衡。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多數(shù) ADC 都采用逐次逼近型（SAR）或 Σ-Δ架構(gòu)。一般來說，SAR 器件的速度高于 Σ-Δ ADC，但 Σ-Δ 架構(gòu)有更高的分辨率。如果需要高于 18 位的分辨率，就需要 Σ-Δ 轉(zhuǎn)換器。
　　
ADC 的采樣率與電源電壓將決定可以使用的支持電路類型。以電源電壓為例，今天的多數(shù) ADC 采用 CMOS 工藝而不是雙極工藝制造。CMOS 器件的功耗遠(yuǎn)低于雙極器件，還可以采用較低的電源電壓軌運(yùn)行。雙極器件可能需要 12V 或 15V 電壓軌，而 CMOS 器件可以采用5V、4V、3.3V、2.5V 甚至 1.8V 的單極電源。

　　
盡管低電壓能降低功耗，但它們也壓縮了 ADC 的動(dòng)態(tài)范圍。ADC 運(yùn)行在 12V 時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍是 0-4V 器件的六倍。因此，同樣數(shù)量的噪聲對(duì) 12V 系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)小于一個(gè) 4V 系統(tǒng)。所以，必須使進(jìn)入 ADC 的噪聲低于 1 個(gè)最低有效位（LSB）。ADC 前的運(yùn)放噪聲級(jí)要與 1 LSB 動(dòng)態(tài)范圍相一致。這意味著24 位 ADC 的噪聲要比 16 位ADC 更低。
　　
Cawley 稱，為獲得更好的動(dòng)態(tài)范圍，應(yīng)該盡可能使高電平信號(hào)遠(yuǎn)離模擬通道。他指出，Keithley 的 DMM 在 10V 范圍內(nèi)可以提供最佳的精度，此時(shí)對(duì)進(jìn)入的信號(hào)既不需要放大也無需衰減。