测控中高精度快速 A/D 采样转换模块设计

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1 前言　　随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用，在生产过程中， 应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量，降低成 本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬 间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。尤其是在电路测试与诊断过 程中，为了非常详细、准确地分析电路工作过程中的详细信息，往往需要采集大量的电路 工作过程中电流、电压、功耗等信号变化情况，并将这些采集的信号转换为数字信号以便后台处理。　　数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别 的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处 理，得出所需的数据；与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些 物理量的监视，其中一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物 理量。在电路测试诊断过程中，在故障未被定位之前，需要采集的大量的信号，并快速进 行分析与处理。因此整个信号采集过程中对采集处理芯片、处理算法的选择是非常重要的， 直接关系到测试诊断系统的准确性。　　2 A/D 芯片的选取与配置　　通过增加ADC 采样位数或提高其采样频率，可以有效降低量化噪声，但由于受工艺等 限制，ADC 的位数限制在一定的范围内，同时兼顾后续处理器实际处理数据能力，保证采 样数据实时处理，ADC 的采样频率不宜太高，否则采集的数据将无法及时处理。对ADC 采 样速率和位数的选择将直接影响着后续微处理器的运算量，因此在本文设计时，必须考虑测 控系统的实时性要求。本系统中微处理器通过中断读取A/D 转换数据，然后进行数字式平 均算法。要在两次中断时间间隔内完成如此多的运算，一方面要求处理器的速度要快；另一 方面要求处理时间间隔尽可能长，此可通过适当增加相邻中断的间隔时间来实现，即降低 ADC 的采样速率实现。从提高信噪比的角度考虑，利用过采样技术，其采样频率越高越好； 但从处理器数据处理的实时性角度出发，采样频率不宜太高。　　本文应用的测控系统中，按照测控需求，每个信号周期内通常采样 96 个点，采样值累 加次数为4096 次，若采样频率选择为1 MHZ，则平均每个采样占用时间为0.393216 秒，为 了满足测控实时性的要求。因此本系统设计中，ADC 的采样频率选择为1MHZ。　　从存储器存储数据的角度考虑，为了便于传输数据，最后的累加值若利用一个长整形数 据格式（两个字，共32 位）传送，实现传送比较方便，若系统中每点累加次数为4096 次， 则ADC 转换的位数将不超过20 位（212＝4096，32－12＝20）。根据测控系统实际精度要 求，并借鉴国内外相关电路经验，本文设计采用12 位采样精度即可满足系统实际要求。　　综合以上诸多考虑，本文的ADC 采用NATIONAL semiconductor 公司的ADC12062，内部 自带采样保持电路，12 位采样精度，最高采样频率可达1MHZ，其基准电压为4.096V，则 最小可检测电压为＝1mV。ADC12062 采用先进的CMOS 工艺，在高速数据转换时功耗很 低，其功耗仅为75mW，适合于长时间的稳定工作，特别适合于低功耗要求的便携式设备。 芯片的A/D 转换工作时序如图1 所示。

　　ADC12062 主要引脚的功能介绍：　　ADC IN 模拟信号输入引脚，其电压输入范围为－0.005――4.95V。　　/CS 片选信号，低电平有效，ADC 处A/D 转换状态。　　/INI 中断输出信号，初始状态为高电平，当AD 转换完成以后，变为低电平时，通知微处理器ADC 转换完成，数据已经在数据线上，可以读取数据。　　/RD 读控制信号，低电平有效，和同时为低时，可以读取数据。　　S-/H 采样保持信号，下降沿触发。该引脚接入控制采样平台发出的抽样触发脉冲，其下降沿触发信号取样。　　/PD 低功耗控制模式，高电平时处于正常工作状态；输入低电平时，进入低功耗模式。　　本A/D 转换模块复位以后，ADC 首先处于低功耗状态，直到处理器发送数据采集命令，控制其处于正常的A/D 转换工作状态。　　
                          
                       
                          
                                3 量化与过采样技术的实现　　在A/D转换中，量化过程是用离散值近似表示连续值的过程，由于数字信号只能取有限位，所以在量化过程中必然引入误差，此误差称为量化噪声。由





　　4 系统可靠性设计　　为了保证 A/D 转换模块工作的可靠性，设计中需要增加可靠性的考虑。一种方法是在 ADC 的采样信号输入端采加入保护电路，保证输入电压幅度在ADC 的输入动态范围内。 ADC12062输入电压范围为? 50×10?3 ? 4.95V，如果输入电压超过此范围，则可能对器件 产生损坏，因此，必须要对其电压输入加保护措施。利用稳压二极管的单向导电性，限定输 入信号的电压范围（如图2 所示）。

　　由于放大后的采样信号为交流小信号，其幅值有正有负，而 ADC 输出为单极性数据， 为保证量化输出数据的正极性。本系统设计时，将整个输入信号的幅值整体向上平移。将交 流采样信号和1/2 基准直流电压叠加，则ADC 输入信号以1/2 基准电压为基线，电压幅值 在其上下小幅度波动。　　第二个可靠性策略是模拟数字混合器件的地线处理，ADC 是含有模拟电路和数字电路 的混合集成电路芯片，数字地和模拟地都有独立的地线引脚。为了避免数字噪声耦合到模拟 电路，AD 芯片的模拟地和数字地引脚应以最短距离连接到一起并引到模拟地上。将数字信 号和模拟信号远离，或将模拟信号输入端用地线包围起来，以降低分布电容耦合。尽量减少 回路环的面积，降低采样噪声。模拟地和数字地分开布线，并在一点用敷铜相连。　　ADC 界于模拟电路和数字电路之间，且通常被划归为模拟电路。为减小数字电路的干 扰，应将模拟电路和数字电路分开布局；为减小信号线上的分布电阻、电容和电感，应尽量缩短导线长度，并增大导线之间的距离；为减小电源线和地线的阻抗，应尽量增大电源线和 地线的宽度，或采用电源平面、地平面。　　5 创新点总结　　本文的创新点是提出了一种高精度 A/D 转换模块设计方案，该方案可以用于实现测控 系统中信号采集与处理功能。本文设计的A/D 转换模块充分考虑了处理的实时性、系统的 可靠性以及扩展性等方面的要求。不仅能够满足现有的实时测控需求，而且具有良好的兼容 性，能够广泛应用于其他各种模拟信号与数字信号相互转换的场合。