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1 前言 隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數據采集系統也迅速地得到應用，在生產(chǎn)過(guò)程中， 應用這一系統可對生產(chǎn)現場(chǎng)的工藝參數進(jìn)行采集、監視和記錄，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，應用數據采集系統可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，是研究瞬 間物理過(guò)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(guò) 程中，為了非常詳細、準確地分析電路工作過(guò)程中的詳細信息，往往需要采集大量的電路 工作過(guò)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換為數字信號以便后臺處理。 數據采集的任務(wù)，具體地說(shuō)，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成計算機能識別 的數字信號，然后送入計算機或相應的信號處理系統，根據不同需要進(jìn)行相應的計算和處 理，得出所需的數據；與此同時(shí)，將計算機得到的數據進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現對某些 物理量的監視，其中一部分數據還將被控制生產(chǎn)過(guò)程中的計算機控制系統用來(lái)控制某些物 理量。在電路測試診斷過(guò)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(gè)信號采集過(guò)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)系到測試診斷系統的準確性。 2 A/D 芯片的選取與配置 通過(guò)增加ADC 采樣位數或提高其采樣頻率，可以有效降低量化噪聲，但由于受工藝等 限制，ADC 的位數限制在一定的范圍內，同時(shí)兼顧后續處理器實(shí)際處理數據能力，保證采 樣數據實(shí)時(shí)處理，ADC 的采樣頻率不宜太高，否則采集的數據將無(wú)法及時(shí)處理。對ADC 采 樣速率和位數的選擇將直接影響著(zhù)后續微處理器的運算量，因此在本文設計時(shí)，必須考慮測 控系統的實(shí)時(shí)性要求。本系統中微處理器通過(guò)中斷讀取A/D 轉換數據，然后進(jìn)行數字式平 均算法。要在兩次中斷時(shí)間間隔內完成如此多的運算，一方面要求處理器的速度要快；另一 方面要求處理時(shí)間間隔盡可能長(cháng)，此可通過(guò)適當增加相鄰中斷的間隔時(shí)間來(lái)實(shí)現，即降低 ADC 的采樣速率實(shí)現。從提高信噪比的角度考慮，利用過(guò)采樣技術(shù)，其采樣頻率越高越好； 但從處理器數據處理的實(shí)時(shí)性角度出發(fā)，采樣頻率不宜太高。 本文應用的測控系統中，按照測控需求，每個(gè)信號周期內通常采樣 96 個(gè)點(diǎn)，采樣值累 加次數為4096 次，若采樣頻率選擇為1 MHZ，則平均每個(gè)采樣占用時(shí)間為0.393216 秒，為 了滿(mǎn)足測控實(shí)時(shí)性的要求。因此本系統設計中，ADC 的采樣頻率選擇為1MHZ。 從存儲器存儲數據的角度考慮，為了便于傳輸數據，最后的累加值若利用一個(gè)長(cháng)整形數 據格式（兩個(gè)字，共32 位）傳送，實(shí)現傳送比較方便，若系統中每點(diǎn)累加次數為4096 次， 則ADC 轉換的位數將不超過(guò)20 位（212＝4096，32－12＝20）。根據測控系統實(shí)際精度要 求，并借鑒國內外相關(guān)電路經(jīng)驗，本文設計采用12 位采樣精度即可滿(mǎn)足系統實(shí)際要求。 綜合以上諸多考慮，本文的ADC 采用national semiconductor 公司的ADC12062，內部 自帶采樣保持電路，12 位采樣精度，最高采樣頻率可達1MHZ，其基準電壓為4.096V，則 最小可檢測電壓為＝1mV。ADC12062 采用先進(jìn)的CMOS 工藝，在高速數據轉換時(shí)功耗很 低，其功耗僅為75mW，適合于長(cháng)時(shí)間的穩定工作，特別適合于低功耗要求的便攜式設備。 芯片的A/D 轉換工作時(shí)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 轉換狀態(tài)。 /INI 中斷輸出信號，初始狀態(tài)為高電平，當AD 轉換完成以后，變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，通知微處理器ADC 轉換完成，數據已經(jīng)在數據線(xiàn)上，可以讀取數據。 /RD 讀控制信號，低電平有效，和同時(shí)為低時(shí)，可以讀取數據。 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(shí)處于正常工作狀態(tài)；輸入低電平時(shí)，進(jìn)入低功耗模式。 本A/D 轉換模塊復位以后，ADC 首先處于低功耗狀態(tài)，直到處理器發(fā)送數據采集命令，控制其處于正常的A/D 轉換工作狀態(tài)。 3 量化與過(guò)采樣技術(shù)的實(shí)現 在A(yíng)/D轉換中，量化過(guò)程是用離散值近似表示連續值的過(guò)程，由于數字信號只能取有限位，所以在量化過(guò)程中必然引入誤差，此誤差稱(chēng)為量化噪聲。由 4 系統可靠性設計 為了保證 A/D 轉換模塊工作的可靠性，設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電路，保證輸入電壓幅度在A(yíng)DC 的輸入動(dòng)態(tài)范圍內。 ADC12062輸入電壓范圍為? 50×10?3 ? 4.95V，如果輸入電壓超過(guò)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措施。利用穩壓二極管的單向導電性，限定輸 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，而 ADC 輸出為單極性數據， 為保證量化輸出數據的正極性。本系統設計時(shí)，將整個(gè)輸入信號的幅值整體向上平移。將交 流采樣信號和1/2 基準直流電壓疊加，則ADC 輸入信號以1/2 基準電壓為基線(xiàn)，電壓幅值 在其上下小幅度波動(dòng)。 第二個(gè)可靠性策略是模擬數字混合器件的地線(xiàn)處理，ADC 是含有模擬電路和數字電路 的混合集成電路芯片，數字地和模擬地都有獨立的地線(xiàn)引腳。為了避免數字噪聲耦合到模擬 電路，AD 芯片的模擬地和數字地引腳應以最短距離連接到一起并引到模擬地上。將數字信 號和模擬信號遠離，或將模擬信號輸入端用地線(xiàn)包圍起來(lái)，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。模擬地和數字地分開(kāi)布線(xiàn)，并在一點(diǎn)用敷銅相連。 ADC 界于模擬電路和數字電路之間，且通常被劃歸為模擬電路。為減小數字電路的干 擾，應將模擬電路和數字電路分開(kāi)布局；為減小信號線(xiàn)上的分布電阻、電容和電感，應盡量縮短導線(xiàn)長(cháng)度，并增大導線(xiàn)之間的距離；為減小電源線(xiàn)和地線(xiàn)的阻抗，應盡量增大電源線(xiàn)和 地線(xiàn)的寬度，或采用電源平面、地平面。 5 創(chuàng )新點(diǎn)總結 本文的創(chuàng )新點(diǎn)是提出了一種高精度 A/D 轉換模塊設計方案，該方案可以用于實(shí)現測控 系統中信號采集與處理功能。本文設計的A/D 轉換模塊充分考慮了處理的實(shí)時(shí)性、系統的 可靠性以及擴展性等方面的要求。不僅能夠滿(mǎn)足現有的實(shí)時(shí)測控需求，而且具有良好的兼容 性，能夠廣泛應用于其他各種模擬信號與數字信號相互轉換的場(chǎng)合。 |
