多通道數據采集系統

工業測量系統常常必須對來自多個信號源的信號進行數字化處理，可采用幾種方式來實現這種處理。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節放大器，信號調節放大器將輸出信號饋送給模數轉換器(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據的快速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，數字MUX選擇多個串行輸出ADC，該方法的優勢是能在傳感器端進行模數轉換。通常情況下，DSP的選型和DSP的輸入格式決定了采用哪種方法。

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過數字化的信號并對其進行處理，或者將數據存儲在分配給提供該數據的通道的存儲器中。

多路復用器

采用一個集成了MUX的芯片來設計多路數據采集系統是最佳選擇，因為芯片設計工程師解決了系統設計工程師可能面臨的很多設計問題。

如果采用分離的多路復用器，設計工程師則應該了解數據表中列出的一些特性參數。圖2是用于單端信號的獨立八輸入多路復用器的結構框圖，該器件的數據表列出了穩定時間和開關時間的特性參數。

多路復用器的CMOS FET開關的柵-源極電容和柵-漏極電容，以及源極和負載的RC時間常數都會影響穩定時間。設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瞬態振幅將降低。

減小開關瞬態振幅的一種折衷方法是增加穩定時間。圖3給出的多路復用器數據表列出了源極阻抗對穩定時間的影響。

圖2：對大多數元器件來說，多路復用器芯片是一個相當簡單的器件。

穩定時間是MUX數據表中另外一個重要特性參數，它是新的數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，可得到穩定時間。

圖3：穩定時間和開關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：一個設計示例

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

這種系統的模擬輸入來自監視體溫的熱敏電阻、稱重傳感器(測量體重的應變計)、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和一個數模轉換器，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視器的基本功能。

系統需求

系統規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。

經過選擇的溫度傳感器可以測量23℃～43℃范圍內的體溫，分辨率為0.01℃，但精確度只有±2℃。監視心率的光學傳感器必須具備每分鐘感應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照明的干擾。為簡單起見，假設使用這種產品的地區的電源線頻率為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。根據這些系統要求可得到更加詳細的系統框圖 。圖5是具有增益模塊、濾波器和其它元件的系統框圖。

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，為抑制來自室內照明的干擾，心臟監視器的采樣速率應為60Hz的n倍，其中n為整數，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。系統設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。這種分析基于連續逼近寄存器(SAR)轉換器，它允許每個通道均以9.3ksps的速率進行采樣。這樣，系統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有幾個優勢，比如，過采樣以及隨之降低的抗混疊要求可能消除SAR轉換器所需要的抗混疊濾波功能。另外，由于轉換器可以提供24位的分辨率，而系統僅使用4,096個左右的代碼，所以Δ-Σ轉換器完全不需要在轉換器前面加設增益級。具有Δ-Σ轉換器的設計可減少前端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。為了使轉換器的精度達到12位，無論轉換器采用什么樣的架構，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=(SINAD+1.76)/6.02。

積分非線性(INL)應小于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：所有設計都包括一個外部電壓基準。

IC選擇：電壓基準

無論最終設計采用內置多路復用器的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)

分析實現一個帶有分離的輸入多路復用器、信號調節放大器和ADC的相同的四通道設計的成本很有意義。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%時的穩定時間少于1.85µs(圖9)。

圖9：單通道SAR的穩定時間小于1.85µs。

IC選擇：分離的IC(放大器)

用于信號調節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規格還包括低輸入偏置和噪聲。

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

設計要求放大器的帶寬大于800kHz，0.01%穩定時間小于1.85ms，失調電壓低于0.5mV，輸出擺幅小于10mV。(輸出擺幅規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盡可能接近電壓軌。但是，這并非是最重要的考慮因素。應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節的方法。在培訓習題中，利用互聯網上的千片定購價信息，對采用多路復用ADC和分離的ADC的設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，但如果不考慮開發成本，采用這三種方法設計的材料成本大致相同(見表)。如果將開發成本考慮在內，則采用多通道ADC的方法比較有優勢。

最好的實際設計考慮方式

在實際應用中，設計工程師必須考慮：采用模擬MUX還是采用數字MUX？MUX是分離的還是集成？由于ADC廠商已經簡化了與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，那么設計工程師將面對端口和PCB布線等硬件設計問題。如果使用在目前的設計環境非常具有吸引力的數字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、數字存儲器需求和DSP端口。目前，大多數芯片供應商都提供在線設計幫助，因此確定哪些來自不同公司的免費設計工具是可用的也至關重要。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計工具，再下一步是設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設計后續步驟的結果。然后，設計每個獨立的模擬通道并驗證其性能。最后，將系統中的所有通道整合在一起，并對性能進行調試和驗證。

本文由德州儀器(TI)公司贊助