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MPS：数据采集模块设计概要
2024-08-20 14:42:40 阅读量：500

ADC（数模转换器）是一种广泛应用在商业，工业，医疗，通讯，国防及航太等多种领域内混合集成电路芯片，在各种设备中充当了模拟世界和数字世界之间必不可少的桥梁。ADC确保了模拟信号能够被各类感知，测量与控制系统有效地监测、控制和处理。我们常通过各种传感器来感知现实物理世界中各种的参数，由前端传感器将各种物理参数如流量、光强、姿态、加速度、距离、温度、压力等按照特定的函数关系转换成电压或者电流信号，然后再由ADC器件将这些模拟量转换成数字量。

我们可以把包含前端信号调理电路，ADC模数转换器，微处理器构成的电路功能块称之为数据采集模块（DAQ Module）。在设计数据采集模块设计时，ADC（模数转换器）是一个非常关键有源器件，它能够将模拟信号转换为数字信号，供后续处理器(MCU/DSP/FPGA)或其他数字电路进行数据处理与分析。

全球知名模拟器件公司MPS(芯源系统股份有限公司)于2024年3月，发布了一款工业级高速12位ADC(MDC97476, 12bit,1Msps,SOT23-6)，并将于近期陆续发布微尺寸16位ADC，高精度24位ADC，以满足严苛的工业应用环境下的数据采集需求。

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以下是设计数据采集模块时的基本要点：

1. 选择合适的ADC类型

分辨率：工业，医疗级的应用通常要求高精度。ADC分辨率越高，采集回来信号的精度就越高，但转换时间也会增加。我们要根据系统对输入信号的采集精度，来选择适用的分辨率，如12位，16位，18位或24位。要注意ADC的有效位数（ENOB）通常低于ADC标称的分辨率。而且ENOB性能也可能随输入频率变化而变化。所以我们要综合考虑一些具体参数，例如DNL/INL（静态非线性）以及SNR/THD/SFDR（信噪比/谐波失真/无杂散动态范围）等。此外，以上指标通常衡量“相对精度”（即线性度），因为在诸如各类通讯系统和控制系统应用中线性度是最重要的指标。在另外一些应用中（如精密测量系统），也重视“绝对精度”（包括增益误差/零位偏移）。由于“绝对精度”取决于除了ADC本身性能以外的其他参数的，如输入模拟前端，参考源等，这时常需要进行系统级误差校准。

采样率：根据应用场景，选择合适的采样率。高速应用（如工业级高速闭合伺服控制环路）需要高采样率（0.1-100Msps量级），而低速应用（如温度，压力，湿度监测）则可以使用较低的采样率（10-1000sps量级）。

ADC架构: 常用ADC架构有逐次逼近型（SAR）、ΔΣ（Delta-Sigma）及流水线型 (Pipelined)。SAR架构适用于中高速和高精度应用，ΔΣ适用于低速、高精度或超高精度应用领域。流水线型ADC适合于1MHz-10GHz的高速/超高速数据采集应用，如雷达，卫星通信，数字示波器，频谱分析仪。

2. 前端信号调理

模拟前端设计：为了保证ADC的测量精度，输入信号需要经过模拟信号调理。常用的信号调理方法包括信号放大及缓冲、增益调节、斩波、滤波器、隔离器等，来处理各种不同的传感器信号。

滤波器设计：为了避免量化后的信号混叠，通常在ADC前加入低通滤波器, 即抗混叠滤波器(Anti-Aliasing Filter)。ΔΣ ADC内部常带有数字滤波器，但ADC输入端前仍然可能需要加入模拟低通滤波器来消除高频噪声干扰。

3. 抗干扰和信号完整性

电源和地设计：工业环境中可能存在较多的电磁干扰（EMI），需要特别注意ADC的供电电源设计和接地方式。可以使用隔离电源、屏蔽线、精密接地和去耦电容，可以有效减少电源纹波对ADC的干扰。

共模噪声处理：使用差分信号输入可以有效降低共模噪声，从而提高信号的信噪比。在存在较大共模噪声干扰的电路板上，建议ADC输入通常采用差分信号走线模式来降低共模噪声的干扰。

噪声敏感性：选择低噪声的ADC和前端电路，如低噪声运算放大器、稳压器及参考源等。设计时需要尽量减少信号链中其他器件引入的噪声。

4. ADC通信接口选择

SPI/I²C/并行接口：许多ADC通过SPI/I²C/并行接口总线与上位处理器进行数据通信。SPI总线的最高时钟频率SCK可以高达40MHz, 因此可以提供更高的数据通信、传输速度。而I²C接口适用于低速，多ADC共享总线的分布式ADC数据采集系统，I²C接口的典型工作时钟频率为100/400/3400kHz。并行接口适用于高速数据采集应用，如数据采样率为1MSPS-10GSPS的应用场景。

隔离通信：为了避免工业环境中的共模噪声，或者感应电流环干扰，我们可以使用光电隔离器、隔离放大器或隔离的SPI/I²C接口器件来保护ADC及上位控制器。

5. 校准与温度补偿

温度补偿：工业应用环境温度变化较大，ADC的增益、零位偏移等参数可能随温度变化。在高精度测量应用中，我们可能需要考虑温度补偿，或使用具有内置温度传感器的ADC,来感知ADC工作环境温度的变化。

增益、零位偏移校准：信号链路的增益误差通常来自前端信号调理放大器、参考源及ADC，因此对增益误差敏感的应用中，如优于0.1%的高精度测量系统，我们可以采用固件(Firmware)定期自动对整个信号链路进行多点校准（包括增益、零位偏移校准）以保证数据采集模块的精度。也可以根据模块的使用温度变化，来进行自动温度补偿, 以保证全温度工作范围内数据采集精度。

6. 容错与安全性

冗余设计：在重要的工业应用中，数据采集模块需要冗余设计，如使用多个ADC或多采集路径以提高系统可靠性。

过压保护：在设计ADC输入时，必须确保输入端有过压保护，以免意外的电压峰值干扰损坏ADC器件，进而导致整个系统崩溃。

7. 稳健性和长期可靠性

工业级组件选择：选用高可靠性的工业级ADC和其他电子元件，这些组件通常具有更高的温度适应性和更长的寿命。

封装和环境适应性：考虑模块在恶劣工业环境下的适应性，如防尘、防水（IP等级）、防潮、抗腐蚀等。

8. 软件与固件

错误检测与处理：设计数据采集模块时，上位机控制软件中应包含错误检测与处理机制，如校验码、看门狗、容错处理等功能。

数据滤波和处理：在采集到的数据中，通常需要进行一些滤波处理（如平均滤波、卡尔曼滤波等）以去除噪声干扰并保证数据稳定性，准确性。

我们可以基于上述技术要点，来有效设计出高精度、可靠、稳健的工业级数据采集模块，满足您的各种特殊应用需求。如果您需要了解MPS的ADC产品，欢迎前往MPS立创商城主页查找相关的ADC产品参数。

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MPS：数据采集模块设计概要

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