測控中高精度快速 A/D 采樣轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

　　隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應(yīng)用，在生產(chǎn)過程中， 應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成 本提供信息和手段。在科學(xué)研究中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，是研究瞬 間物理過程的有力工具，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一。尤其是在電路測試與診斷過 程中，為了非常詳細(xì)、準(zhǔn)確地分析電路工作過程中的詳細(xì)信息，往往需要采集大量的電路 工作過程中電流、電壓、功耗等信號變化情況，并將這些采集的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便后臺處理。

　　數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別 的數(shù)字信號，然后送入計算機(jī)或相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)，根據(jù)不同需要進(jìn)行相應(yīng)的計算和處 理，得出所需的數(shù)據(jù)；與此同時，將計算機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些 物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被控制生產(chǎn)過程中的計算機(jī)控制系統(tǒng)用來控制某些物 理量。在電路測試診斷過程中，在故障未被定位之前，需要采集的大量的信號，并快速進(jìn) 行分析與處理。因此整個信號采集過程中對采集處理芯片、處理算法的選擇是非常重要的， 直接關(guān)系到測試診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

　　2 A/D 芯片的選取與配置

　　通過增加ADC 采樣位數(shù)或提高其采樣頻率，可以有效降低量化噪聲，但由于受工藝等 限制，ADC 的位數(shù)限制在一定的范圍內(nèi)，同時兼顧后續(xù)處理器實際處理數(shù)據(jù)能力，保證采 樣數(shù)據(jù)實時處理，ADC 的采樣頻率不宜太高，否則采集的數(shù)據(jù)將無法及時處理。對ADC 采 樣速率和位數(shù)的選擇將直接影響著后續(xù)微處理器的運(yùn)算量，因此在本文設(shè)計時，必須考慮測 控系統(tǒng)的實時性要求。本系統(tǒng)中微處理器通過中斷讀取A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)字式平 均算法。要在兩次中斷時間間隔內(nèi)完成如此多的運(yùn)算，一方面要求處理器的速度要快；另一 方面要求處理時間間隔盡可能長，此可通過適當(dāng)增加相鄰中斷的間隔時間來實現(xiàn)，即降低 ADC 的采樣速率實現(xiàn)。從提高信噪比的角度考慮，利用過采樣技術(shù)，其采樣頻率越高越好； 但從處理器數(shù)據(jù)處理的實時性角度出發(fā)，采樣頻率不宜太高。

　　本文應(yīng)用的測控系統(tǒng)中，按照測控需求，每個信號周期內(nèi)通常采樣 96 個點，采樣值累 加次數(shù)為4096 次，若采樣頻率選擇為1 MHZ，則平均每個采樣占用時間為0.393216 秒，為 了滿足測控實時性的要求。因此本系統(tǒng)設(shè)計中，ADC 的采樣頻率選擇為1MHZ。

　　從存儲器存儲數(shù)據(jù)的角度考慮，為了便于傳輸數(shù)據(jù)，最后的累加值若利用一個長整形數(shù) 據(jù)格式（兩個字，共32 位）傳送，實現(xiàn)傳送比較方便，若系統(tǒng)中每點累加次數(shù)為4096 次， 則ADC 轉(zhuǎn)換的位數(shù)將不超過20 位（212＝4096，32－12＝20）。根據(jù)測控系統(tǒng)實際精度要 求，并借鑒國內(nèi)外相關(guān)電路經(jīng)驗，本文設(shè)計采用12 位采樣精度即可滿足系統(tǒng)實際要求。

　　綜合以上諸多考慮，本文的ADC 采用NATIONAL semiconductor 公司的ADC12062，內(nèi)部 自帶采樣保持電路，12 位采樣精度，最高采樣頻率可達(dá)1MHZ，其基準(zhǔn)電壓為4.096V，則 最小可檢測電壓為＝1mV。ADC12062 采用先進(jìn)的CMOS 工藝，在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時功耗很 低，其功耗僅為75mW，適合于長時間的穩(wěn)定工作，特別適合于低功耗要求的便攜式設(shè)備。 芯片的A/D 轉(zhuǎn)換工作時序如圖1 所示。

　　ADC12062 主要引腳的功能介紹：

　　ADC IN 模擬信號輸入引腳，其電壓輸入范圍為－0.005――4.95V。

　　/CS 片選信號，低電平有效，ADC 處A/D 轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

　　/INI 中斷輸出信號，初始狀態(tài)為高電平，當(dāng)AD 轉(zhuǎn)換完成以后，變?yōu)榈碗娖綍r，通知微處理器ADC 轉(zhuǎn)換完成，數(shù)據(jù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)線上，可以讀取數(shù)據(jù)。

　　/RD 讀控制信號，低電平有效，和同時為低時，可以讀取數(shù)據(jù)。

　　S-/H 采樣保持信號，下降沿觸發(fā)。該引腳接入控制采樣平臺發(fā)出的抽樣觸發(fā)脈沖，其下降沿觸發(fā)信號取樣。

　　/PD 低功耗控制模式，高電平時處于正常工作狀態(tài)；輸入低電平時，進(jìn)入低功耗模式。

　　本A/D 轉(zhuǎn)換模塊復(fù)位以后，ADC 首先處于低功耗狀態(tài)，直到處理器發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，控制其處于正常的A/D 轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)。

　　3 量化與過采樣技術(shù)的實現(xiàn)

　　在A/D轉(zhuǎn)換中，量化過程是用離散值近似表示連續(xù)值的過程，由于數(shù)字信號只能取有限位，所以在量化過程中必然引入誤差，此誤差稱為量化噪聲。由

　　4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

　　為了保證 A/D 轉(zhuǎn)換模塊工作的可靠性，設(shè)計中需要增加可靠性的考慮。一種方法是在 ADC 的采樣信號輸入端采加入保護(hù)電路，保證輸入電壓幅度在ADC 的輸入動態(tài)范圍內(nèi)。 ADC12062輸入電壓范圍為? 50×10?3 ? 4.95V，如果輸入電壓超過此范圍，則可能對器件 產(chǎn)生損壞，因此，必須要對其電壓輸入加保護(hù)措施。利用穩(wěn)壓二極管的單向?qū)щ娦?，限定?入信號的電壓范圍（如圖2 所示）。

　　由于放大后的采樣信號為交流小信號，其幅值有正有負(fù)，而 ADC 輸出為單極性數(shù)據(jù)， 為保證量化輸出數(shù)據(jù)的正極性。本系統(tǒng)設(shè)計時，將整個輸入信號的幅值整體向上平移。將交 流采樣信號和1/2 基準(zhǔn)直流電壓疊加，則ADC 輸入信號以1/2 基準(zhǔn)電壓為基線，電壓幅值 在其上下小幅度波動。

　　第二個可靠性策略是模擬數(shù)字混合器件的地線處理，ADC 是含有模擬電路和數(shù)字電路 的混合集成電路芯片，數(shù)字地和模擬地都有獨立的地線引腳。為了避免數(shù)字噪聲耦合到模擬 電路，AD 芯片的模擬地和數(shù)字地引腳應(yīng)以最短距離連接到一起并引到模擬地上。將數(shù)字信 號和模擬信號遠(yuǎn)離，或?qū)⒛M信號輸入端用地線包圍起來，以降低分布電容耦合。盡量減少 回路環(huán)的面積，降低采樣噪聲。模擬地和數(shù)字地分開布線，并在一點用敷銅相連。

　　ADC 界于模擬電路和數(shù)字電路之間，且通常被劃歸為模擬電路。為減小數(shù)字電路的干 擾，應(yīng)將模擬電路和數(shù)字電路分開布局；為減小信號線上的分布電阻、電容和電感，應(yīng)盡量縮短導(dǎo)線長度，并增大導(dǎo)線之間的距離；為減小電源線和地線的阻抗，應(yīng)盡量增大電源線和 地線的寬度，或采用電源平面、地平面。

　　5 創(chuàng)新點總結(jié)

　　本文的創(chuàng)新點是提出了一種高精度 A/D 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計方案，該方案可以用于實現(xiàn)測控 系統(tǒng)中信號采集與處理功能。本文設(shè)計的A/D 轉(zhuǎn)換模塊充分考慮了處理的實時性、系統(tǒng)的 可靠性以及擴(kuò)展性等方面的要求。不僅能夠滿足現(xiàn)有的實時測控需求，而且具有良好的兼容 性，能夠廣泛應(yīng)用于其他各種模擬信號與數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的場合。