一種高精度多通道數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

摘 要： 測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)采集是系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)或?qū)嶒?yàn)室中，需要多通道的信號(hào)采集裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集。針對(duì)采集設(shè)備的通用性、小型化和高精度的要求，設(shè)計(jì)一種高精度多路數(shù)據(jù)采集模塊，采用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)巡回采樣的方法采集16路16位模擬量信號(hào)，實(shí)驗(yàn)表明，該方法特別適用于高精度工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。

關(guān)鍵詞： 多路選擇開(kāi)關(guān)； 程控放大器； A/D轉(zhuǎn)換器； 信號(hào)采集

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）13?0129?03

Abstract： Signal acquisition is an important link in test system. In industrial measurement and control system or laboratory， test system requires multi?channel signal acquisition device to realize analog signal acquisition. Since the acquisition device has the requirements of universality， miniaturization and high?precision， the data acquisition module with high precision and multi?channel was designed. The system adopts high precision A/D converter chip， and acquires 16?channel analog inputs of 16?bit. It suits for high precision industrial on?site data acquisition.

Keywords： multi?channel selecting switch； program?controlled amplifier； A/D converter； signal acquisition

0 引 言

在工業(yè)過(guò)程控制以及其他一些系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)中，需要采集大量傳感器的測(cè)量值，大部分的溫度、壓力、位移、流量等傳感器都是將物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，再進(jìn)一步送入嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)獲取。嵌入式計(jì)算機(jī)為了完成傳感器數(shù)據(jù)的獲取，必須設(shè)計(jì)具有能夠獲取傳感器信號(hào)的高精度多路數(shù)據(jù)采集功能模塊。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖可知，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由傳感器、模擬多路開(kāi)關(guān)、程控放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和邏輯控制部分等組成[1]。

1.1 傳感器

傳感器的類(lèi)型有很多，如測(cè)量溫度有熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器等；測(cè)量機(jī)械力的有壓力傳感器、應(yīng)變片傳感器等；測(cè)量機(jī)械位移的有電感位移傳感器、光柵位移傳感器等。這些傳感器將現(xiàn)實(shí)世界的溫度、壓力、位移、流量等非電量，轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，然后進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理、運(yùn)算和記錄。

1.2 模擬多路開(kāi)關(guān)

在采集頻率不高的應(yīng)用背景下，一般采用公共的A/D轉(zhuǎn)換器，分時(shí)對(duì)各路模擬量進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，從而可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、降低成本。一般使用模擬多路開(kāi)關(guān)來(lái)輪流切換各路模擬量與A/D轉(zhuǎn)換期間的通道，使得在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)，只有一路模擬信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。

1.3 程控放大器

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)有的是比較微弱的低電壓信號(hào)，而A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入電壓多數(shù)是2.5 V，5 V或10 V，而且A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是以滿量程電壓為依據(jù)確定的。使用可編程放大器的作用是將微弱的輸入信號(hào)比例放大，從而充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程分辨率。

1.4 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器主要實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，它是采集系統(tǒng)的核心。A/D轉(zhuǎn)換器是影響整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和精度的主要因素之一。

1.5 邏輯控制

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各器件的定時(shí)關(guān)系比較嚴(yán)格，邏輯控制器件控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各器件工作，其控制過(guò)程順序[2]為：

（1） 模擬多路開(kāi)關(guān)開(kāi)始切換；

（2） 等待通道建立時(shí)間，即通道電壓建立完成；

（3） A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始轉(zhuǎn)換；

（4） 等待A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換到位；

（5） 讀取A/D轉(zhuǎn)換值。

2 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多通道數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示[3]，該電路能以最高16位分辨率處理16通道單端輸入電壓信號(hào)。每通道采樣速率使用AD976[4]最高可達(dá)100 KSPS，使用AD976A最高可達(dá)200 KSPS；所有輸入通道的通道切換速率最高可達(dá)16.447 kHz。

信號(hào)處理電路通過(guò)可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)通道間自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)順序采集多個(gè)通道，也可加載固定的二進(jìn)制通道地址，用于單通道采集。

2.1 建立時(shí)間分析

采集電路工作在連續(xù)切換模式下，1個(gè)模擬多路開(kāi)關(guān)的16個(gè)通道單端信號(hào)合并為時(shí)分多路復(fù)用信號(hào)，然后信號(hào)進(jìn)入高阻抗、低容抗的AD620[5]緩沖。

輸入前置濾波電路、模擬多路開(kāi)關(guān)和放大器輸入等效電路如圖3所示。ADG506[6]輸入寄生電容5 pF，輸出引腳寄生電容44 pF，內(nèi)部等效電阻500 Ω；AD620引腳穿接電阻4.7 kΩ，RF濾波電容為1 nF，可得到時(shí)間常數(shù)近似為[τ=RC=]（0.5+4.7） kΩ×1 nF=5.2 μs，針對(duì)簡(jiǎn)單RC網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間與給定精度之間的關(guān)系，當(dāng)需要分辨率不低于16位，RC網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間常數(shù)為[11.09τ，]在此取整為[12τ=]60.8 μs，所以開(kāi)關(guān)速率最高可達(dá)為[f=]16.447 kHz。

放大器輸入等效電路

2.2 誤差分析

對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行誤差分析，簡(jiǎn)化模型后如圖4所示。

（1） 模擬多路開(kāi)關(guān)誤差

多路開(kāi)關(guān)作為后級(jí)運(yùn)放輸入，連接到AD620輸入正端，按電阻分壓比例得下式：

[V2=R22×R1+R2×V1=99.999 9%×V1] （1）

式中：[V1]為圖4中[V1]處電壓，單位為V；[V2]為圖4中[V2]處電壓，單位為V；[R1]為圖4中[R1]處電阻值，阻值為500 Ω；[R2]為圖4中[R2]處電阻值，阻值為1×1010 Ω。

（2） 運(yùn)算放大器誤差

AD620的放大誤差典型值為0.03%，最大值為0.1%，按最大誤差計(jì)算得下式：

[V3=V2×99.9%] （2）

式中：[V3]為圖4中V3處電壓，單位為V；[V2]為圖中V2處電壓，單位為V。

（3） A/D轉(zhuǎn)換器誤差

A/D轉(zhuǎn)換器采用16位的AD976，其輸入電壓范圍為0～±10 V，線性誤差為±2 LSB，參考電壓為DC 2.50 V，轉(zhuǎn)換時(shí)間最大4 μs，滿量程誤差為±0.25% FS（0.05 V），失調(diào)誤差最大為±10 mV。

AD976輸入電壓量程范圍最大為±10 V，[1 LSB=20 V216=0.305] mV。

AD976的誤差由增益誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差引起，其中AD976的失調(diào)誤差可通過(guò)外部50 kΩ外部電位器進(jìn)行調(diào)整至[±12 LSB，]增益誤差可通過(guò)50 kΩ外部電位器進(jìn)行調(diào)整至±2 LSB，綜合考慮A/D線性的誤差[±2 LSB，]此時(shí)的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)丟失的編碼值最大為4.5 LSB，相對(duì)于滿量程其轉(zhuǎn)換誤差僅為±0.007%。

如果不對(duì)AD976的增益誤差、失調(diào)誤差進(jìn)行調(diào)整，則相對(duì)于滿量程其轉(zhuǎn)換誤差為±0.2%，AD976不用電位器調(diào)整也可滿足A/D測(cè)量精度。

（4） 總誤差

綜上所述，有：

[V采集=Vin×99.999 9%×99.9%×99.8%=Vin×99.70%] （3）

式中：[V采集]為A/D采集得到的電壓值，單位為V；[Vin]為輸入端的電壓值，單位為V。

因此，在A/D采集芯片不用電位器進(jìn)行調(diào)整時(shí)，電路采集直流信號(hào)的最大誤差為0.3%，滿足絕大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的要求。

3 邏輯控制流程

在此設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)的控制為查詢方式進(jìn)行巡回采樣，一次采樣過(guò)程如下：首先發(fā)起對(duì)第一通道的切換，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，待轉(zhuǎn)換結(jié)束后獲取到第一通道結(jié)果并存出寄存器；再發(fā)起對(duì)第二通道的切換，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，待轉(zhuǎn)換結(jié)束后獲取到第二通道結(jié)果并存出寄存器……，直至所有通道采樣完畢，即完成一次采樣過(guò)程。不斷循環(huán)上述采樣過(guò)程。查詢方式的流程圖如圖5所示。

設(shè)計(jì)使用查詢方式的優(yōu)點(diǎn)是：要求的硬件少，編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，特別是詢問(wèn)與執(zhí)行程序同步，能準(zhǔn)確知道A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。同時(shí)，在每個(gè)采樣周期內(nèi)都對(duì)每路模擬信號(hào)進(jìn)行多次采樣，以保證能獲取可靠的采樣值，程序流程圖中的巡回采集遍數(shù)就是為了對(duì)每個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行多次采樣。

4 結(jié) 語(yǔ)

本采集模塊設(shè)計(jì)適用于小體積、低功耗、低成本的嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)備，通過(guò)選擇不同的A/D轉(zhuǎn)換器、模擬多路開(kāi)關(guān)和程控放大器的，可滿足不同環(huán)境采集系統(tǒng)對(duì)電壓信號(hào)的采集需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張和生，王立文.一種高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2004（6）：575?577.

[2] 謝利旭，楊永友，董浩斌.自動(dòng)切換轉(zhuǎn)換通道的A/D轉(zhuǎn)換器AD7938及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（18）：118?120.

[3] 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[4] Analog Devices. AD976/AD976A datasheet [R]. [S.l.]： Analog Devices， 1999.

[5] Analog Devices. AD620 datasheet [R]. [S.l.]： Analog Devices， 2004.

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