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(duì)來自多個(gè)信號(hào)源的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，可采用幾種方式來實(shí)現(xiàn)這種處理。在圖1a中，模擬多路復(fù)用器(MUX|0">MUX)在來自8個(gè)模擬傳感器的輸入信號(hào)中進(jìn)行選擇，然后MUX將輸出信號(hào)饋送給信號(hào)調(diào)節(jié)放大器，信號(hào)調(diào)節(jié)放大器將輸出信號(hào)饋送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。目前普遍采用集成了多路復(fù)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(shí)的工作效果很好。圖1b給出了一種備選方案，在這個(gè)示例中，數(shù)字MUX選擇多個(gè)串行輸出ADC，該方法的優(yōu)勢是能在傳感器端進(jìn)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(huì)控制MUX。微控制器將按次序采集每個(gè)經(jīng)過數(shù)字化的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，或者將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分配給提供該數(shù)據(jù)的通道的存儲(chǔ)器中。

多路復(fù)用器

采用一個(gè)集成了MUX的芯片來設(shè)計(jì)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是最佳選擇，因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)工程師解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可能面臨的很多設(shè)計(jì)問題。

如果采用分離的多路復(fù)用器，設(shè)計(jì)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(hào)的獨(dú)立八輸入多路復(fù)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(shí)間和開關(guān)時(shí)間的特性參數(shù)。

多路復(fù)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(fù)載的RC時(shí)間常數(shù)都會(huì)影響穩(wěn)定時(shí)間。設(shè)計(jì)工程師必須考慮這么一個(gè)事實(shí)：當(dāng)負(fù)載和源極的電容增加時(shí)，源極和負(fù)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(shí)間。圖3給出的多路復(fù)用器數(shù)據(jù)表列出了源極阻抗對(duì)穩(wěn)定時(shí)間的影響。

圖2：對(duì)大多數(shù)元器件來說，多路復(fù)用器芯片是一個(gè)相當(dāng)簡單的器件。

穩(wěn)定時(shí)間是MUX數(shù)據(jù)表中另外一個(gè)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(dǎo)通所需要的時(shí)間。在通道之間的信號(hào)電平有10V變化的情況下，通過測量從地址輸入信號(hào)的50%到輸出端模擬信號(hào)的90%之間的時(shí)間，可得到穩(wěn)定時(shí)間。

圖3：穩(wěn)定時(shí)間和開關(guān)時(shí)間是選擇獨(dú)立的多路復(fù)用器芯片時(shí)兩個(gè)重要的考慮因素。

實(shí)際考慮：一個(gè)設(shè)計(jì)示例

為了理解如何設(shè)計(jì)一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這里考慮一個(gè)用于病人監(jiān)視器的子系統(tǒng)(圖4)，然后針對(duì)培訓(xùn)課程進(jìn)行開發(fā)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程非常具有指導(dǎo)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(jì))、測量心率的光電傳感器，以及用于語音輸入的麥克風(fēng)。外部器件包括一個(gè)DSP和一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，但本例重點(diǎn)在信號(hào)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(hào)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(xué)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(gè)光學(xué)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(fēng)通道必須能夠傳輸300～4,000Hz的音頻信號(hào)。

四個(gè)通道的模擬信號(hào)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(xì)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(kuò)展，這是在文章中進(jìn)行了說明的版本。

評(píng)估時(shí)序需求

從時(shí)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(shí)間等于16.667µs/n。在本例中，n等于155時(shí)，采樣速率為9.3ksps。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須考慮這個(gè)采樣速率對(duì)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(xùn)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(duì)語音質(zhì)量的音頻信號(hào)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(jìn)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(gè)采樣速率對(duì)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(gè)通道均以9.3ksps的速率進(jìn)行采樣。這樣，系統(tǒng)對(duì)采樣速率的要求就會(huì)提高到原來的4倍，即37.2ksps(圖6)。

圖6：基于SAR ADC的設(shè)計(jì)使每個(gè)通道都具有相同的時(shí)序。

也可以采用帶四個(gè)差分輸入的Δ-Σ轉(zhuǎn)換器，但它并不是對(duì)所有通道都采用相同的時(shí)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(gè)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(gè)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(jí)。具有Δ-Σ轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)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(fēng)也不再需要增益元件。

圖7：基于多路復(fù)用Δ-Σ ADC的設(shè)計(jì)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同的處理。

IC選擇：多通道ADC

時(shí)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(dá)到12位，無論轉(zhuǎn)換器采用什么樣的架構(gòu)，每個(gè)通道的信噪比+失真(SINAD)性能都必須至少為70dB，這是因?yàn)橛行粩?shù)=(SINAD+1.76)/6.02。

積分非線性(INL)應(yīng)小于1LSB，以便為所有四個(gè)通道提供信號(hào)。為了使用于培訓(xùn)課程的設(shè)計(jì)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(jì)都包括一個(gè)外部電壓基準(zhǔn)。

IC選擇：電壓基準(zhǔn)

無論最終設(shè)計(jì)采用內(nèi)置多路復(fù)用器的ADC，還是采用4個(gè)獨(dú)立的ADC通道，精確的基準(zhǔn)電壓對(duì)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(zhǔn)(圖8)。

IC選擇：分離的IC器件(多路復(fù)用器)

分析實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶有分離的輸入多路復(fù)用器、信號(hào)調(diào)節(jié)放大器和ADC的相同的四通道設(shè)計(jì)的成本很有意義。四通道多路復(fù)用器所需的特性包括：低導(dǎo)通電阻、聲明“芯片使能”信號(hào)之后的延遲時(shí)間為0.37µs、誤差為施加信號(hào)的0.01%時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間少于1.85µs(圖9)。

圖9：單通道SAR的穩(wěn)定時(shí)間小于1.85µs。

IC選擇：分離的IC(放大器)

用于信號(hào)調(diào)節(jié)的每個(gè)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(xué)心率傳感器以及麥克風(fēng)的14.1mV、20mV和85mV左右的輸入電壓擺幅。對(duì)除音頻之外的所有通道來說，800Hz是可接受的帶寬。當(dāng)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(shí)序要求決定了穩(wěn)定時(shí)間，這是一個(gè)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(shí)間是指輸出端穩(wěn)定在滿量程的±1/2 LSB內(nèi)所用的時(shí)間。一個(gè)12位系統(tǒng)將要求穩(wěn)定后誤差在滿量程為4096個(gè)刻度的半個(gè)刻度內(nèi)，即0.01%。在采用正交SAR ADC的設(shè)計(jì)案例中，轉(zhuǎn)換之后必需的等待時(shí)間(18.5µs)決定了穩(wěn)定時(shí)間。

設(shè)計(jì)要求放大器的帶寬大于800kHz，0.01%穩(wěn)定時(shí)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(duì)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(xùn)示例中，需要認(rèn)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(shí)間是最重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

IC選擇：獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)，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(gè)模擬通道中進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)的方法。在培訓(xùn)習(xí)題中，利用互聯(lián)網(wǎng)上的千片定購價(jià)信息，對(duì)采用多路復(fù)用ADC和分離的ADC的設(shè)計(jì)分別所需的材料成本進(jìn)行比較。它們的成本當(dāng)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(jì)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(shí)際設(shè)計(jì)考慮方式

在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)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(jì)工程師將面對(duì)端口和PCB布線等硬件設(shè)計(jì)問題。如果使用在目前的設(shè)計(jì)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(shí)序、數(shù)字存儲(chǔ)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(jì)幫助，因此確定哪些來自不同公司的免費(fèi)設(shè)計(jì)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(chǔ)器、處理速度，并再次確定必需的設(shè)計(jì)工具，再下一步是設(shè)計(jì)模擬信號(hào)路徑和電壓基準(zhǔn)部分的電路。當(dāng)然，這個(gè)過程是需要反復(fù)的。

總之，最好首先設(shè)計(jì)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(fèi)勁地獲得系統(tǒng)設(shè)計(jì)后續(xù)步驟的結(jié)果。然后，設(shè)計(jì)每個(gè)獨(dú)立的模擬通道并驗(yàn)證其性能。最后，將系統(tǒng)中的所有通道整合在一起，并對(duì)性能進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。

本文由德州儀器(TI)公司贊助