單片機(jī)ADC擴(kuò)展方案

單片機(jī)ADC擴(kuò)展方案討論

早在幾天前，我寫(xiě)了一篇關(guān)于單片機(jī)IO口擴(kuò)展的文章，接著有網(wǎng)友和我來(lái)討論關(guān)于ADC擴(kuò)展的問(wèn)題了，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，這篇文章有詳細(xì)的討論。

單片機(jī)ADC為何要擴(kuò)展

現(xiàn)在的主流MCU都內(nèi)置了不止一個(gè)多通道的ADC，可以滿足我們平時(shí)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，這些簡(jiǎn)單應(yīng)用是指應(yīng)用在一些對(duì)模擬量采集速度不高，精度能接受的場(chǎng)合下。但是對(duì)于一些高精度，高速度的情況下，外置的專(zhuān)用ADC芯片仍然是我們必須要選擇的，哪怕以很高的金錢(qián)成本為代價(jià)。這些高速，高精度的外置ADC由于某些原因，內(nèi)部的通道很少，因此如何去盡可能地使用這些寶貴的資源對(duì)我們來(lái)說(shuō)確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題。

需要采集多路高精度低速信號(hào)

如果你使用外置ADC的目的僅僅是為了獲得一個(gè)高精度的采樣值，而對(duì)采樣的速度要求不是很高的話，用繼電器進(jìn)行多路切換那是一個(gè)很明智的選擇。

比如，當(dāng)你需要去監(jiān)控多路溫度的時(shí)候，由于溫度終端采集對(duì)象的溫度范圍不確定，有可能到200多攝氏度，而且被采集溫度處的接觸面積有限，因此只能選用熱電偶傳感器做終端的傳感器，因?yàn)闊犭娕紓鞲衅饔|電面積小，測(cè)溫范圍廣，很適合上述要求。

那此時(shí)熱電偶冷端的電信號(hào)采集就可以使用這種方案來(lái)做了，比如安捷倫數(shù)據(jù)采集器溫度采集卡就是使用了上述的原理。

它將很多的測(cè)溫線全部接入溫度采集卡里面，而溫度采集卡里面的ADC通道數(shù)量有限(一片四路的高精度ADC)，而所接入的溫度傳感器熱電偶線卻有40根，對(duì)于這種應(yīng)用，它將每根熱電偶接入后先做模擬前置處理，然后將處理完成的信號(hào)接入到一個(gè)繼電器上面，示意圖如下。

具體工作流程是，先用邏輯選通電路打開(kāi)第一路繼電器，此時(shí)CH1的傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬電路處理完成之后的電壓通過(guò)繼電器的選通就輸入到了ADC_Chanel1進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成的電壓存儲(chǔ)下來(lái)。緊接著斷開(kāi)第一路繼電器，打開(kāi)第二路繼電器，此時(shí)CH2的傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬電路處理完成之后的電壓經(jīng)過(guò)第二路繼電器輸入到了ADC_Chanel1進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。循環(huán)此步驟，直到著10個(gè)通道全部循環(huán)一編，第一輪AD采樣就全部完成。接著再循環(huán)往復(fù)第二輪第三輪。因此當(dāng)你在使用這個(gè)溫度采集卡的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部的繼電器“嗒嗒嗒”打開(kāi)關(guān)閉的聲音。

這種方式的好處就是當(dāng)你有一片高精度ADC需要采集多個(gè)通道的低速信號(hào)的時(shí)候很有用，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，繼電器價(jià)格低廉，電路板設(shè)計(jì)也沒(méi)有難度。缺點(diǎn)就是由于繼電器內(nèi)部歸根到底是機(jī)械部件在運(yùn)動(dòng)，因此使用壽命有限。

模擬選通開(kāi)關(guān)

在面對(duì)一些高速的多路通道模擬電壓采集時(shí)，以上的繼電器方式顯然不適用了，因?yàn)槔^電器切換的速度根本就無(wú)法滿足模擬通道的切換速度。因此我們需要選用一些模擬通道切換速度更快的器件，而這個(gè)器件的最好選擇就是雙電壓模擬開(kāi)關(guān)。常用的型號(hào)有ADG509，但是這個(gè)芯片即將停產(chǎn)，因此取代的型號(hào)有ADGS1414D。

ADGS1414D是一顆高速的模擬電壓開(kāi)關(guān)，其最大帶寬可達(dá)150MHz。包含八個(gè)獨(dú)立的單刀單擲開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)由一個(gè)串行外設(shè)接口 (SPI) 控制。SPI 具備可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)功能，例如循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 (CRC) 錯(cuò)誤檢測(cè)、無(wú)效讀/寫(xiě)地址檢測(cè)以及 (SCLK) 計(jì)數(shù)錯(cuò)誤檢測(cè)。通過(guò)菊鏈模式可將多個(gè) ADGS1414D 套件連接在一起。菊鏈模式可用最少數(shù)量的數(shù)字走線實(shí)現(xiàn)多套件配置。通過(guò) ADGS1414D 的數(shù)字信號(hào)和電源路由可進(jìn)一步提高通道密度。集成的無(wú)源組件消除了對(duì)外部無(wú)源組件的需求。ADGS1414D 適用于高密度開(kāi)關(guān)應(yīng)用，例如大型開(kāi)關(guān)矩陣和扇出應(yīng)用。在接通時(shí)，各個(gè)開(kāi)關(guān)在兩個(gè)方向上具有同等的傳導(dǎo)性能，并且其輸入信號(hào)范圍可擴(kuò)展至電源電壓的水平。在斷開(kāi)狀態(tài)下，達(dá)到電源電壓水平的信號(hào)電平將被阻止。多功能引腳名稱(chēng)只能供其相關(guān)功能引用。

如果僅僅做一些對(duì)觸發(fā)要求不高的多路高速電壓信號(hào)采集時(shí)，只需要用這個(gè)芯片替換上述的繼電器組即可實(shí)現(xiàn)要求。

采樣保持器加模擬開(kāi)關(guān)

但是，有一些應(yīng)用對(duì)于多路模擬信號(hào)的采集有同時(shí)采樣的要求，那么上述的兩種方案就都無(wú)法滿足了。

在很多的應(yīng)用中，對(duì)于AD采樣的需求是“多路同一時(shí)刻采樣”。比如在做PMSM控制時(shí)的FOC算法，需要同時(shí)采集電機(jī)的電流電壓，再如我做的微波行業(yè)，需要同一時(shí)刻去采集前向波和反向波檢波后的包絡(luò)信號(hào)，這種應(yīng)用中，對(duì)同一時(shí)刻這個(gè)觸發(fā)要求是很高的。比如，我們需要采集同一時(shí)刻微波的前向波和反向波包絡(luò)時(shí)，其波形圖如下所示：

為了應(yīng)對(duì)以上的要求，必須在多路模擬開(kāi)關(guān)之前對(duì)每一路信號(hào)增加一個(gè)采樣保持器。采樣-保持器(Sample/Hold)是能夠完成以下任務(wù)的器件，簡(jiǎn)寫(xiě)為S/H。如果直按將模報(bào)量送入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則應(yīng)考慮到任何一種AD 轉(zhuǎn)換器都需要用一定的時(shí)間來(lái)完成量化及編碼的操作。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如果模擬量產(chǎn)生變化，將直接影響轉(zhuǎn)換精度。特別是在同步系統(tǒng)中，幾個(gè)并聯(lián)的參量需取自同一瞬時(shí)，而各參數(shù)的AD 轉(zhuǎn)換又共享個(gè)芯片，所得到的幾個(gè)量就不是同一時(shí)刻的值，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算和比較。所以要求輸入到A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持不變，但轉(zhuǎn)換之后，又要求A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)能夠跟隨模擬量變化。

常用的采樣保持器有AD783，它是一款高速單芯片采樣保持放大器(SHA)，0.01%采集時(shí)間典型值為250 ns。其保持模式總諧波失真經(jīng)過(guò)全面測(cè)試，輸入頻率最高達(dá)100 kHz。AD783配置為單位增益放大器，并采用已獲專(zhuān)利的自校正架構(gòu)，能夠?qū)⒈３帜Ｊ秸`差降至最小，并確保器件整個(gè)溫度范圍內(nèi)都能提供高精度。該器件獨(dú)立自足，無(wú)需外部器件或調(diào)整。

因此，對(duì)于同時(shí)采樣要求比較高的時(shí)候，我們可以用下面的多路AD采樣。

當(dāng)采樣保持信號(hào)到來(lái)時(shí)，采樣保持器SH1的輸入信號(hào)和SH2的輸入信號(hào)都會(huì)被保持住，然后再去依次選通ADGS1414D的通道1和通道2進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，依次往復(fù)即可。

當(dāng)然上述的采樣保持器的價(jià)格非常高，可以抵得上一片AD7606的價(jià)格了，使用時(shí)候要慎重。