可編程增益放大器MCP6S2X在多路信號(hào)采集中的應(yīng)用

摘要：MCP6S2X系列是Microchip Technology公司推出的可編程增益放大器，可廣泛用于多路模擬傳輸應(yīng)用、信號(hào)采集、A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)和信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中。文中介紹了MCP6S2X系列的結(jié)構(gòu)和功能，并通過(guò)多路信號(hào)采集電路的比較說(shuō)明了該芯片的主要特點(diǎn)。最后給出了一個(gè)MCP6S2X的實(shí)用電路。

在實(shí)際的電路應(yīng)用中,模擬信號(hào)的采集是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。工業(yè)控制一般需要采集各種現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)（如溫度、壓力、流量等），并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行處理。往往比較難處理的是信號(hào)采集部分。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)的處理無(wú)論從精度和速度上來(lái)說(shuō)，都在不斷提高。剩下的問(wèn)題是如何方便地將模擬數(shù)據(jù)采集到微處理器中。

在許多嵌入式設(shè)計(jì)中，微控制器或者數(shù)字信號(hào)處理器需要處理若干個(gè)模擬信號(hào)才能完成一種控制功能或者一系列控制任務(wù)。這些模擬信號(hào)往往需要先經(jīng)過(guò)某種處理（例如濾波、緩沖、或者放大），然后處理器才能精確地對(duì)它們進(jìn)行轉(zhuǎn)換，至少要把信號(hào)放大到系統(tǒng)能夠使用的電平。因此，選擇合適的元器件將會(huì)對(duì)電路的設(shè)計(jì)起到事半功倍的作用。

Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司推出的可編程增益放大器(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ, ＰＧＡ)已將放大器、ＭＵＸ和利用ＳＰＩ總線(xiàn)選擇的增益控制器整合在了一起，從而可以協(xié)助用戶(hù)有效地提升系統(tǒng)的數(shù)碼仿真控制效能。新器件專(zhuān)供各種工業(yè)和儀器市場(chǎng)以及信號(hào)和傳感處理領(lǐng)域使用。新款ＭＣＰ６Ｓ２ｘ系列器件除可提供放大器功能外，還可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)碼控制效能，用戶(hù)可在ＳＰＩ總線(xiàn)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，并可通過(guò)有效控制增益和選擇輸入信道來(lái)得到更大的設(shè)計(jì)靈活性。此外，由于ＰＧＡ不需要反饋和輸入電阻，因此，還可大幅減低成本并節(jié)省機(jī)板空間。

１?。停茫校叮樱玻匦酒墓δ芎?a target="_blank">參數(shù)

Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司的ＭＣＰ６Ｓ２１／２／６／８ 是模擬增益可編程運(yùn)放(ＰＧＡ)芯片。該芯片的增益可設(shè)置為＋１～＋３２Ｖ／Ｖ,而且具有輸入通道選擇功能, 可通過(guò)ＳＰＩ總線(xiàn)選擇增益水平和輸入信道，以擴(kuò)大微控制器的仿真輸入范圍，同時(shí)可減少對(duì)輸入／輸出管腳數(shù)量的需求，從而降低微控制器的成本。此外，單一信號(hào)路徑的多重信道還可協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)行仿真信號(hào)路徑的校準(zhǔn)，以提高時(shí)間和溫度的準(zhǔn)確度。該器件寬廣的頻帶特別適用于以較低電流運(yùn)行的放大器，并可減少產(chǎn)品對(duì)電源功率的需求。

１．１ 芯片引腳定義

新款ＭＣＰ６Ｓ２１和ＭＣＰ６Ｓ２２具有８腳ＰＤＩＰ、ＳＯＩＣ和ＭＳＯＰ封裝，ＭＣＰ６Ｓ２６采用１４管腳ＰＤＩＰ、ＳＯＩＣ和ＴＳＳＯＰ封裝，ＭＣＰ６Ｓ２８則采用１６管腳ＰＤＩＰ、ＳＯＩＣ和ＴＳＳＯＰ封裝。它們的引腳排列如圖１所示，表１所列是其引腳功能。

表1 MCP6S2X系列芯片引腳定義（MCP6S28為例）

１．２ 特性參數(shù)

●輸入通道數(shù): １、２、６或８?jìng)€(gè)通道可選；

●頻寬：２ＭＨｚ～１２ＭＨｚ；

●有８種增益選擇，分別為：＋１,＋２,＋４,＋５,＋８,＋１０,＋１６或＋３２Ｖ／Ｖ；

●ＴＤＨ＋Ｎ：０．００１２％；

●帶有串行外圍設(shè)備接口(ＳＰＩ)；

●增益誤差低:±１％(最大)；

●偏移低:±２７５μＶ(最大)；

●帶寬:２～１２ＭＨｚ(典型)；

●噪音低:１０ｎＶ／ｒｔＨｚ(典型)；

●電源電流低:１．０ｍＡ(典型)；

●偏置電壓低：２７５μＶ（典型）；

●穩(wěn)定時(shí)間：２００ｎｓ；

●單電源供電電壓:２．５Ｖ～５．５Ｖ；

●工作溫度范圍：－４０～８５℃。

２　工作原理

ＭＣＰ６Ｓ２８芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（其它類(lèi)似）如圖２所示。由圖可見(jiàn)，ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ芯片內(nèi)部由一些簡(jiǎn)單的功能模塊構(gòu)成，可共同完成多路選擇、可變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)等功能。ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ具有多路選擇輸入（ＭＵＸ）模塊，共有八路輸入，可由軟件設(shè)置通道選擇。不用的輸入引腳應(yīng)懸空，以使輸入電流最小。當(dāng)然，接ＶＤＤ或ＶＳＳ時(shí)，芯片也能正常工作?但輸入電流會(huì)變大。

內(nèi)部運(yùn)放部分主要由運(yùn)放、增益轉(zhuǎn)換器、梯形電阻(ＲＬＡＤ＝ＲＦ＋ＲＧ)等組成，可完成信號(hào)的放大和帶寬選擇，提高輸出電壓的精確性。

ＳＰＩ邏輯控制部分主要提供片選信號(hào)、同步時(shí)鐘、串行輸入輸出、上電復(fù)位、控制指令和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)以完成通路選擇和增益控制等功能。上電復(fù)位電路ＰＯＲ（Ｐｏｗｅｒ－Ｏｎ Ｒｅｓｅｔ）的功能是：當(dāng)電源電壓低于ＰＯＲ的限定電壓時(shí)?ＶＤＤ＜ＶＰＯＲ≈１．７Ｖ?，使內(nèi)部ＰＯＲ電路復(fù)位所有的內(nèi)部寄存器，并使芯片運(yùn)行在關(guān)機(jī)模式下。當(dāng)ＶＤＤ大于ＶＰＯＲ時(shí)，ＰＯＲ又使芯片恢復(fù)正常。另外，用ＭＣＰ６Ｓ２６、ＭＣＰ６Ｓ２８還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片的連接，其連接形式為串行接口方式。多片連接時(shí)，前一個(gè)芯片的ＳＯ引腳應(yīng)連到后一個(gè)芯片的ＳＩ引腳，依此類(lèi)推，它們可共用ＳＣＫ和ＣＳ引腳。

３　幾種多路采集電路的比較

在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，每個(gè)模擬信號(hào)需用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和阻抗匹配，然后送到處理電路（參見(jiàn)圖３）。這樣，在處理４路模擬信號(hào)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最少需要４個(gè)運(yùn)算放大器、８?jìng)€(gè)電阻、并需占用處理器４個(gè)Ｉ／Ｏ引腳(片內(nèi)含采樣保持Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換)。

為了克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，可采用多路復(fù)用方式，這是目前最常用的方式。但應(yīng)注意，很多信號(hào)并不需要連續(xù)不斷地測(cè)量，所以可使用非同時(shí)進(jìn)行采樣的方案。在需要使用高性能運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中，如果采用非同時(shí)進(jìn)行采樣的方案，則可用一個(gè)運(yùn)算放大器，然后在它前面接一個(gè)多路復(fù)用器（ＭＵＸ），再通過(guò)它把幾路模擬信號(hào)接到一個(gè)共用的放大器上。這樣，多路復(fù)用器就會(huì)按照處理要求，把各路模擬信號(hào)接到運(yùn)放上去。其實(shí)現(xiàn)方案如圖４所示。

使用多路復(fù)用器可以減輕傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。它可將占用的處理器Ｉ／Ｏ減少到一個(gè)，所有需要放大的信號(hào)只需要用一只高性能的運(yùn)算放大器即可。

該方案由于減少了元件的數(shù)量，因此所需要的電流以及在電路板上占用的空間也減少了。但同時(shí)，該方案也需要增加某些元件的成本和數(shù)量。有些比較新的器件看起來(lái)較為經(jīng)濟(jì)有效，但是控制起來(lái)并不容易，所以并不適合現(xiàn)代嵌入式控制系統(tǒng)使用。為了控制增益或選擇信號(hào)，這些器件在接到處理器上時(shí)，同樣需要使用較多的Ｉ／Ｏ引腳。因此，這種系統(tǒng)所用器件比較多，不利于進(jìn)一步提高集成度，而且易受干擾。

對(duì)于上述情況，若使用一只ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可編程放大器，那么前面講到的處理多路模擬信號(hào)的系統(tǒng)所存在的問(wèn)題便迎刃而解了。處理器上的ＳＰＩ端口可用來(lái)把命令送到ＭＣＰ６Ｓ２８增益可編程放大器上，以便選擇把哪一路信號(hào)接到處理器，同時(shí)也可以改變放大器的增益。這樣，就有可能改變每一路信號(hào)的增益，而且可以在處理信號(hào)的同時(shí)改變?cè)鲆妗Ｈ绻到y(tǒng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)太弱，處理器就可以增大這個(gè)信號(hào)的增益。當(dāng)信號(hào)達(dá)到較高的電平時(shí)，處理器則可以降低增益。圖５是采用ＭＣＰ６Ｓ２ｘ系列器件進(jìn)行設(shè)計(jì)的方案示意圖。

４　應(yīng)用電路

圖６為ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ系列芯片的應(yīng)用硬件連接圖?筆者在設(shè)計(jì)“工藝對(duì)象仿真裝置”數(shù)據(jù)采集板時(shí)?項(xiàng)目要求對(duì)加熱爐對(duì)象進(jìn)行仿真?該對(duì)象為多輸入多輸出對(duì)象，它不僅需要輸入溫度、壓力等參數(shù)，也要有擾動(dòng)信號(hào)（隨機(jī)干擾和確定性干擾）。該對(duì)象的多個(gè)輸入?yún)?shù)被采集到單片機(jī)中后，單片機(jī)將根據(jù)該對(duì)象的傳遞函數(shù)進(jìn)行處理或通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理?并最后輸出仿真結(jié)果。

本設(shè)計(jì)采用６通道的ＭＣＰ６Ｓ２６來(lái)進(jìn)行，因?yàn)椋粒裕福梗茫担矄纹瑱C(jī)沒(méi)有三線(xiàn)制串行總線(xiàn)接口，所以，在它與ＭＣＰ６Ｓ２６通過(guò)三線(xiàn)制串行總線(xiàn)連接時(shí)，應(yīng)使用軟件模擬三線(xiàn)制串行總線(xiàn)來(lái)操作，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。因此，可用Ｐ１．７來(lái)模擬片選端ＣＳ，Ｐ１．４模擬時(shí)鐘輸入端ＳＣＫ，Ｐ１．６模擬數(shù)據(jù)輸入端ＳＩ，Ｐ１．５模擬數(shù)據(jù)輸出端ＳＯ。為節(jié)約單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口，設(shè)計(jì)中還選用了串行總線(xiàn)（Ｉ２Ｃ總線(xiàn)）Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片ＴＬＣ０８３２。

    對(duì)ＭＣＰ６Ｓ２６進(jìn)行操作的控制字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)均從ＳＩ引腳輸入，并在寫(xiě)入數(shù)據(jù)的串行時(shí)鐘（ＳＣＫ）上升沿被鎖存。從芯片讀取的數(shù)據(jù)則從ＳＯ引腳串行移出，并在串行時(shí)鐘的下降沿輸出。整個(gè)數(shù)據(jù)交換期間，ＣＳ必須保持低電平。

５　結(jié)論

ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可編程放大器特別適用于多路信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)，因而可廣泛應(yīng)用于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、測(cè)試設(shè)備、多路傳輸模擬應(yīng)用、工業(yè)以及醫(yī)療儀器等方面。由于處理器是通過(guò)軟件對(duì)模擬信號(hào)電路進(jìn)行控制，所以其適應(yīng)性和靈活性很高。采用ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可編程放大器時(shí)，原來(lái)需要較多元件的設(shè)計(jì)現(xiàn)在僅需一個(gè)元件即可，因此可以大大簡(jiǎn)化以前復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，提高工作效率。