數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)概要

ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）是一種廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、通訊等多種領(lǐng)域的混合集成電路芯片，在各種設(shè)備中充當(dāng)了模擬世界和數(shù)字世界之間必不可少的橋梁。ADC 確保了模擬信號能夠被各類感知、測量與控制系統(tǒng)有效地監(jiān)測、控制和處理。我們常通過各種傳感器來感知現(xiàn)實(shí)物理世界中各種的參數(shù)，由前端傳感器將各種物理參數(shù)如流量、光強(qiáng)、姿態(tài)、加速度、距離、溫度、壓力等按照特定的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成電壓或者電流信號，然后再由 ADC 器件將這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

我們可以把包含前端信號調(diào)理電路、ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器構(gòu)成的電路功能塊稱之為數(shù)據(jù)采集模塊（DAQ Module）。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)，ADC 是一個(gè)非常關(guān)鍵的有源器件，它能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供后續(xù)處理器（MCU/DSP/FPGA）或其他數(shù)字電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

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MPS 今年發(fā)布了一款工業(yè)級高速 12 位 ADC：MDC97476（12bit, 1Msps, TSOT-23-6），并將于近期陸續(xù)發(fā)布微尺寸 16 位 ADC、高精度 24 位 ADC，以滿足嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集需求。

數(shù)據(jù)采集模塊的基本要點(diǎn)

01選擇合適的 ADC 類型

分辨率：工業(yè)、醫(yī)療級的應(yīng)用通常要求高精度。ADC 分辨率越高，采集回來信號的精度就越高，但轉(zhuǎn)換時(shí)間也會增加。我們要根據(jù)系統(tǒng)對輸入信號的采集精度，來選擇適用的分辨率，如 12位、16位、18位 或 24位。要注意 ADC 的有效位數(shù)（ENOB）通常低于 ADC 標(biāo)稱的分辨率。而且 ENOB 性能也可能隨輸入頻率變化而變化。所以我們要綜合考慮一些具體參數(shù)，例如 DNL/INL（靜態(tài)非線性）以及 SNR / THD / SFDR（信噪比 / 諧波失真 / 無雜散動態(tài)范圍）等。此外，以上指標(biāo)通常衡量“相對精度”（即線性度），因?yàn)樵谥T如各類通訊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)應(yīng)用中線性度是最重要的指標(biāo)。在另外一些應(yīng)用中（如精密測量系統(tǒng)），也重視“絕對精度”（包括增益誤差 / 零位偏移）。由于“絕對精度”取決于除了 ADC 本身性能以外的其他參數(shù)的，如輸入模擬前端、參考源等，這時(shí)常需要進(jìn)行系統(tǒng)級誤差校準(zhǔn)。

采樣率：根據(jù)應(yīng)用場景，選擇合適的采樣率。高速應(yīng)用（如工業(yè)級高速閉合伺服控制環(huán)路）需要高采樣率（0.1 - 100Msps 量級），而低速應(yīng)用（如溫度、壓力、濕度監(jiān)測）則可以使用較低的采樣率（10 - 1000sps 量級）。

ADC架構(gòu)：常用ADC架構(gòu)有逐次逼近型（SAR）、ΔΣ（Delta-Sigma）及流水線型（Pipelined）。SAR 架構(gòu)適用于中高速和高精度應(yīng)用，ΔΣ 適用于低速、高精度或超高精度應(yīng)用領(lǐng)域。流水線型 ADC 適合于 1MHz - 10GHz 的高速 / 超高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，如通信、數(shù)字示波器、頻譜分析儀。

02前端信號調(diào)理

模擬前端設(shè)計(jì)：為了保證 ADC 的測量精度，輸入信號需要經(jīng)過模擬信號調(diào)理。常用的信號調(diào)理方法包括信號放大及緩沖、增益調(diào)節(jié)、斬波、濾波器、隔離器等，來處理各種不同的傳感器信號。

濾波器設(shè)計(jì)：為了避免量化后的信號混疊，通常在 ADC 前加入低通濾波器, 即抗混疊濾波器（Anti-Aliasing Filter）。ΔΣ ADC 內(nèi)部常帶有數(shù)字濾波器，但 ADC 輸入端前仍然可能需要加入模擬低通濾波器來消除高頻噪聲干擾。

03抗干擾和信號完整性

電源和地設(shè)計(jì)：工業(yè)環(huán)境中可能存在較多的電磁干擾（EMI），需要特別注意 ADC 的供電電源設(shè)計(jì)和接地方式。可以使用隔離電源、屏蔽線、精密接地和去耦電容，可以有效減少電源紋波對 ADC 的干擾。

共模噪聲處理：使用差分信號輸入可以有效降低共模噪聲，從而提高信號的信噪比。在存在較大共模噪聲干擾的電路板上，建議 ADC 輸入通常采用差分信號走線模式來降低共模噪聲的干擾。

噪聲敏感性：選擇低噪聲的 ADC 和前端電路，如低噪聲運(yùn)算放大器、穩(wěn)壓器及參考源等。設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量減少信號鏈中其他器件引入的噪聲。

04ADC 通信接口選擇

SPI / I2C / 并行接口：許多 ADC 通過 SPI / I2C / 并行接口總線與上位處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SPI 總線的最高時(shí)鐘頻率 SCK 可以高達(dá) 40MHz，因此可以提供更高的數(shù)據(jù)通信、傳輸速度。而 I2C 接口適用于低速，多 ADC 共享總線的分布式 ADC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，I2C 接口的典型工作時(shí)鐘頻率為 100 / 400 / 3400kHz。并行接口適用于高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，如數(shù)據(jù)采樣率為 1MSPS - 10GSPS 的應(yīng)用場景。

隔離通信：為了避免工業(yè)環(huán)境中的共模噪聲，或者感應(yīng)電流環(huán)干擾，我們可以使用光電隔離器、隔離放大器或隔離的 SPI / I2C 接口器件來保護(hù) ADC 及上位控制器。

05校準(zhǔn)與溫度補(bǔ)償

溫度補(bǔ)償：工業(yè)應(yīng)用環(huán)境溫度變化較大，ADC 的增益、零位偏移等參數(shù)可能隨溫度變化。在高精度測量應(yīng)用中，我們可能需要考慮溫度補(bǔ)償，或使用具有內(nèi)置溫度傳感器的 ADC，來感知 ADC 工作環(huán)境溫度的變化。

增益、零位偏移校準(zhǔn)：信號鏈路的增益誤差通常來自前端信號調(diào)理放大器、參考源及 ADC，因此對增益誤差敏感的應(yīng)用中，如優(yōu)于 0.1% 的高精度測量系統(tǒng)，我們可以采用固件（Firmware）定期自動對整個(gè)信號鏈路進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)（包括增益、零位偏移校準(zhǔn)）以保證數(shù)據(jù)采集模塊的精度。也可以根據(jù)模塊的使用溫度變化，來進(jìn)行自動溫度補(bǔ)償，以保證全溫度工作范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集精度。

06容錯(cuò)與安全性

冗余設(shè)計(jì)：在重要的工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集模塊需要冗余設(shè)計(jì)，如使用多個(gè) ADC 或多采集路徑以提高系統(tǒng)可靠性。

過壓保護(hù)：在設(shè)計(jì) ADC 輸入時(shí)，必須確保輸入端有過壓保護(hù)，以免意外的電壓峰值干擾損壞 ADC 器件，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

07穩(wěn)健性和長期可靠性

工業(yè)級組件選擇：選用高可靠性的工業(yè)級 ADC 和其他電子元件，這些組件通常具有更高的溫度適應(yīng)性和更長的壽命。

封裝和環(huán)境適應(yīng)性：考慮模塊在惡劣工業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性，如防塵、防水（IP 等級）、防潮、抗腐蝕等。

08軟件與固件

錯(cuò)誤檢測與處理：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)，上位機(jī)控制軟件中應(yīng)包含錯(cuò)誤檢測與處理機(jī)制，如校驗(yàn)碼、看門狗、容錯(cuò)處理等功能。

數(shù)據(jù)濾波和處理：在采集到的數(shù)據(jù)中，通常需要進(jìn)行一些濾波處理（如平均濾波、卡爾曼濾波等）以去除噪聲干擾并保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。

MPS 可以基于上述技術(shù)要點(diǎn)，有效設(shè)計(jì)出高精度、可靠、穩(wěn)健的工業(yè)級數(shù)據(jù)采集模塊，滿足您的各種特殊應(yīng)用需求。