關(guān)于模擬數據采集的設計權衡的分析與研究

模擬采集部分是所有數據采集系統的核心。微處理器、數字信號處理器、存儲器、固件、軟件驅動(dòng)、操作系統和軟件應用都可能構成一個(gè)系統的大腦，但它們實(shí)際上還是模擬電路。要針對某種應用建立一個(gè)有必要的速度、分辨率和精度的系統，需要尋找模擬數據轉換器、運放、復用器和電壓基準的正確組合。
　
圖 1 是模數轉換器（ADC）中通過(guò)基本模擬信號的路徑。每個(gè)數據采集系統都要使用這種基本配置的某種形式。為每個(gè)元件所做的選擇會(huì )影響到對其他元件的選擇。

　　
模擬信號路徑開(kāi)始于輸入連接器。多數數據采集系統會(huì )在模擬電路前采用某種形式的電路保護。例如保險絲或箝位二極管等元件可以限制進(jìn)入系統的電壓或電流，以保護元器件不會(huì )損壞。
　　
數據采集系統很少采用單一的測量通道。數字萬(wàn)用表（DMM）一般只有一個(gè)通道，但可以用繼電器與 DMM 結合來(lái)增加通道數。數據采集系統（無(wú)論是插件板、USB 模塊或獨立系統）每個(gè)通道都可能有一個(gè)專(zhuān)用的 ADC，或只有一個(gè) ADC，由復用器（mux）連接到多個(gè)通道。每個(gè)通道都有專(zhuān)用 ADC 使系統的所有通道可以同時(shí)采樣。
　　
在復用器之后（如果系統使用的話(huà)），可編程增益放大器（PGA）對來(lái)自傳感器或其他信號源的輸入電壓進(jìn)行放大或衰減，使之最佳地適配 ADC 的輸入電壓范圍。有些系統可能采用第二只運放，它為輸入信號增加了一個(gè) DC 偏置電壓。偏置電壓用于使信號偏移，使之定位于 ADC 輸入范圍的中心。因此，ADC 輸入電壓范圍就是選擇 PGA 的主要因素。
　　
也可以使用附加的箝位電路來(lái)保護 ADC。在 ADC 之前，大多數系統設計者都增會(huì )加一個(gè)低通抗混疊濾波器。這個(gè)濾波器用于限制信號路徑的帶寬，在 ADC 進(jìn)行信號數字化以前盡可能減少混疊的最后機會(huì )。
　　
要成功地數字化模擬信號，ADC 需要一個(gè)基準電壓 Vref。有些 ADC 帶有內部基準，而其他則采用外接基準源。
Keithley Instruments 公司的高級總工
程師 Kevin Cawley 說(shuō)：“我們偏向于外接電壓基準。我們認為，外接電壓基準要比內置的更穩定?！?br />　　
United Electronic Industries（UEI）的工程經(jīng)理 Alex Ivchenko 進(jìn)一步說(shuō)：“如果你用外接基準，就可以通過(guò)控制 ADC 基準電壓來(lái)調節輸入路徑的增益。如果輸入電壓太高，就需要提供一個(gè)更高的 Vref?！?br />　　
ADC 的數字輸出可以是串行方式，也可以是并行方式。串行總線(xiàn)能提供更好的模擬性能，因為在一個(gè)給定時(shí)間內只有較少的線(xiàn)路需要改變，可以盡量減少在電源與地線(xiàn)上的反跳，并降低了總系統噪聲。但是，對于相同的位數，串行接口運行的時(shí)鐘頻率高于并行總線(xiàn)，因此,必須小心地發(fā)送信號以減少噪聲。
　　
ADC 的選擇
　　
ADC 的選擇涉及很多必須考慮的設計權衡。數據采集系統中的多數 ADC 都采用逐次逼近型（SAR）或 Σ-Δ架構。一般來(lái)說(shuō)，SAR 器件的速度高于 Σ-Δ ADC，但 Σ-Δ 架構有更高的分辨率。如果需要高于 18 位的分辨率，就需要 Σ-Δ 轉換器。
　　
ADC 的采樣率與電源電壓將決定可以使用的支持電路類(lèi)型。以電源電壓為例，今天的多數 ADC 采用 CMOS 工藝而不是雙極工藝制造。CMOS 器件的功耗遠低于雙極器件，還可以采用較低的電源電壓軌運行。雙極器件可能需要 12V 或 15V 電壓軌，而 CMOS 器件可以采用5V、4V、3.3V、2.5V 甚至 1.8V 的單極電源。

　　
盡管低電壓能降低功耗，但它們也壓縮了 ADC 的動(dòng)態(tài)范圍。ADC 運行在 12V 時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍是 0-4V 器件的六倍。因此，同樣數量的噪聲對 12V 系統的影響遠小于一個(gè) 4V 系統。所以，必須使進(jìn)入 ADC 的噪聲低于 1 個(gè)最低有效位（LSB）。ADC 前的運放噪聲級要與 1 LSB 動(dòng)態(tài)范圍相一致。這意味著(zhù)24 位 ADC 的噪聲要比 16 位ADC 更低。
　　
Cawley 稱(chēng)，為獲得更好的動(dòng)態(tài)范圍，應該盡可能使高電平信號遠離模擬通道。他指出，Keithley 的 DMM 在 10V 范圍內可以提供最佳的精度，此時(shí)對進(jìn)入的信號既不需要放大也無(wú)需衰減。