多通道数据收集体系

路数据收集的一般概念

工业丈量体系常常有必要对来自多个信号源的信号进行数字化处理，可选用几种办法来完成这种处理。在图1a中，模仿多路复用器(MUX|0″>MUX)在来自8个模仿传感器的输入信号中进行挑选，然后MUX将输出信号馈送给信号调理放大器，信号调理放大器将输出信号馈送给模数转化器(ADC)。现在遍及选用集成了多路复用器和ADC的IC，但也能够购买别离的元件。

图1a描绘的这种办法选用输出并行数据的快速ADC时的作业作用很好。图1b给出了一种备选计划，在这个示例中，数字MUX挑选多个串行输出ADC，该办法的优势是能在传感器端进行模数转化。一般情况下，DSP的选型和DSP的输入格局决议了选用哪种办法。

在以上任何一种计划中，微操控器一般都会操控MUX。微操控器将按次第收集每个通过数字化的信号并对其进行处理，或许将数据存储在分配给供给该数据的通道的存储器中。

多路复用器

选用一个集成了MUX的芯片来规划多路数据收集体系是最佳挑选，因为芯片规划工程师处理了体系规划工程师或许面临的许多规划问题。

假如选用别离的多路复用器，规划工程师则应该了解数据表中列出的一些特性参数。图2是用于单端信号的独立八输入多路复用器的结构框图，该器材的数据表列出了安稳时刻和开关时刻的特性参数。

多路复用器的CMOS FET开关的栅-源极电容和栅-漏极电容，以及源极和负载的RC时刻常数都会影响安稳时刻。规划工程师有必要考虑这么一个现实：当负载和源极的%&&&&&%添加时，源极和负载端的开关瞬态振幅将下降。

减小开关瞬态振幅的一种折衷办法是添加安稳时刻。图3给出的多路复用器数据表列出了源极阻抗对安稳时刻的影响。

图2：对大多数元器材来说，多路复用器芯片是一个适当简略的器材。

安稳时刻是MUX数据表中别的一个重要特性参数，它是新的数字代码被施加到通道地址输入端之后，CMOS FET导通所需求的时刻。在通道之间的信号电平有10V改动的情况下，通过丈量从地址输入信号的50%到输出端模仿信号的90%之间的时刻，可得到安稳时刻。

图3：安稳时刻和开关时刻是挑选独立的多路复用器芯片时两个重要的考虑要素。

实践考虑：一个规划示例

为了了解怎么规划一个多通道数据收集体系，这儿考虑一个用于患者监督器的子体系(图4)，然后针对培训课程进行开发，整个规划进程十分具有指导含义。

这种体系的模仿输入来自监督体温的热敏电阻、称重传感器(丈量体重的应变计)、丈量心率的光电传感器，以及用于语音输入的麦克风。外部器材包含一个DSP和一个数模转化器，但本例重点在信号链路和ADC上。

图4：这是文章中描绘的患者监督器的基本功用。

体系需求

体系规范要求最高称重量为100kg，精度为1kg，分辨率为12位。因为这种信号改动较慢，所以最大带宽仅需为10Hz。

通过挑选的温度传感器能够丈量23℃～43℃规模内的体温，分辨率为0.01℃，但准确度只需±2℃。监督心率的光学传感器有必要具有每分钟感应60～120次心跳的才能，因而所需带宽仅为1～2Hz。但因为它是一个光学传感器，所以有必要按捺来自室内照明的搅扰。为简略起见，假定运用这种产品的区域的电源线频率为60Hz。麦克风通道有必要能够传输300～4,000Hz的音频信号。

四个通道的模仿信号带宽要求总结如下：体重和体温通道需求0.1～10Hz的带宽，心率通道需求10Hz的带宽，音频通道则需求4kHz的带宽。依据这些体系要求可得到愈加具体的体系框图 。图5是具有增益模块、滤波器和其它元件的体系框图。

图5：图4中的简略框图可通过不同办法得以扩展，这是在文章中进行了阐明的版别。

评价时序需求

从时序视点看，为按捺来自室内照明的搅扰，心脏监督器的采样速率应为60Hz的n倍，其间n为整数，这意味着采样时刻等于16.667µs/n。在本例中，n等于155时，采样速率为9.3ksps。体系规划工程师有必要考虑这个采样速率关于其它通道是否可行。

语音通道要求带宽为4kHz，因而Nyquist判据要求最低采样速率为ksps。因而，只需抗混叠滤波器具有满足高的截止频率，9.3ksamples/s的采样速率就能够了。(在本培训课程的比方中选用了二阶Butterworth低通滤波器，其衰减特性为-12dB/倍频程，这对语音质量的音频信号来说已满足。)

称重传感器和体温传感器仅需求10ksps的采样速率。过采样能够进步分辨率，例如，以2.56ksps进行采样(系数为4⁴)能够有用地将分辨率添加到本来的4倍，因而这个采样速率对称重传感器而言是有用的。这种剖析根据接连迫临寄存器(SAR)转化器，它答应每个通道均以9.3ksps的速率进行采样。这样，体系对采样速率的要求就会进步到本来的4倍，即37.2ksps(图6)。

图6：根据SAR ADC的规划使每个通道都具有相同的时序。

也能够选用带四个差分输入的Δ-Σ转化器，但它并不是对一切通道都选用相同的时序，而是有必要下降体温文称重传感器通道的采样速率，然后给音频和心率通道留出满足的采样速率。

选用Δ-Σ ADC有几个优势，比方，过采样以及随之下降的抗混叠要求或许消除SAR转化器所需求的抗混叠滤波功用。别的，因为转化器能够供给24位的分辨率，而体系仅运用4,096个左右的代码，所以Δ-Σ转化器彻底不需求在转化器前面加设增益级。具有Δ-Σ转化器的规划可削减前端RC低通滤波器的抗混叠滤波器，而且称重传感器、热敏电阻和麦克风也不再需求增益元件。

图7：根据多路复用Δ-Σ ADC的规划需求对信号进行不同的处理。

IC挑选：多通道ADC

时序建立好之后，下一步便是挑选适宜的ADC。为了使转化器的精度到达12位，不管转化器选用什么样的架构，每个通道的信噪比+失真(SINAD)功能都有必要至少为70dB，这是因为有用位数=(SINAD+1.76)/6.02。

积分非线性(INL)应小于1LSB，以便为一切四个通道供给信号。为了运用于培训课程的规划具有本钱效益，挑选具有较宽满量程输入规模(0～4.096V)的器材。

图8：一切规划都包含一个外部电压基准。

IC挑选：电压基准

不管终究规划选用内置多路复用器的ADC，仍是选用4个独立的ADC通道，准确的基准电压对ADC和传感器的供电来说都是必需的。在许多事例中，这或许意味着体系需求别离的电压基准(图8)。

IC挑选：别离的IC器材(多路复用器)

剖析完成一个带有别离的输入多路复用器、信号调理放大器和ADC的相同的四通道规划的本钱很有含义。四通道多路复用器所需的特性包含：低导通电阻、声明“芯片使能”信号之后的延迟时刻为0.37µs、差错为施加信号的0.01%时的安稳时刻少于1.85µs(图9)。

图9：单通道SAR的安稳时刻小于1.85µs。

IC挑选：别离的IC(放大器)

用于信号调理的每个放大器都需求承受别离来自称重传感器和体温传感器、光学心率传感器以及麦克风的14.1mV、20mV和85mV左右的输入电压摆幅。对除音频之外的一切通道来说，800Hz是可承受的带宽。当然，音频通道要求带宽为4kHz。其它令人满意的技能规范还包含低输入偏置和噪声。

时序要求决议了安稳时刻，这是一个至关重要的考虑要素。(功率放大器数据表中的安稳时刻是指输出端安稳在满量程的±1/2 LSB内所用的时刻。一个12位体系即将求安稳后差错在满量程为4096个刻度的半个刻度内，即0.01%。在选用正交SAR ADC的规划事例中，转化之后必需的等待时刻(18.5µs)决议了安稳时刻。

规划要求放大器的带宽大于800kHz，0.01%安稳时刻小于1.85ms，失调电压低于0.5mV，输出摆幅小于10mV。(输出摆幅规范界说了放大器的输出与电源电压轨的挨近程度。关于电源电压V_DD等于5V，满量程输出等于4.096V放大器来说，4mV输出摆幅是必需的。)

在培训示例中，需求仔细挑选放大器，使放大器的输出摆幅应尽或许挨近电压轨。可是，这并非是最重要的考虑要素。应该首要扫除没有适宜带宽的放大器，然后再考虑输出摆幅。带宽和安稳时刻是最重要的挑选规范。

%&&&&&%挑选：独立器材(ADC)

ADC是最终要挑选的器材。选用相似于挑选内置四通道MUX的ADC的挑选规范，能够找到适宜的单通道SAR ADC。

最终进程

图10a至图10d阐明晰用于在本例四个模仿通道中进行信号调理的办法。在培训习题中，运用互联网上的千片定购价信息，对选用多路复用ADC和别离的ADC的规划别离所需的资料本钱进行比较。它们的本钱当然有所不同，但假如不考虑开发本钱，选用这三种办法规划的资料本钱大致相同(见表)。假如将开发本钱考虑在内，则选用多通道ADC的办法比较有优势。

最好的实践规划考虑办法

在实践运用中，规划工程师有必要考虑：选用模仿MUX仍是选用数字MUX？MUX是别离的仍是集成？因为ADC厂商现已简化了与ADC的接口，因而集成的模仿MUX将更简单运用。假如MUX未被集成到ADC中，那么规划工程师将面临端口和PCB布线等硬件规划问题。假如运用在现在的规划环境十分具有吸引力的数字MUX，则有必要考虑ADC接口问题(I²C、SPI或并行接口)，以及所选的DSP是否能够与其一同作业。

假如MUX是别离的，则下一步要挑选ADC，并界说时序、数字存储器需求和DSP端口。现在，大多数芯片供给商都供给在线规划协助，因而确认哪些来自不同公司的免费规划东西是可用的也至关重要。相同重要的是有必要确认能与ADC合作运用的DSP。然后考虑端口、存储器、处理速度，并再次确认必需的规划东西，再下一步是规划模仿信号途径和电压基准部分的电路。当然，这个进程是需求重复的。

总归，最好首要规划ADC与DSP的接口，包含影响与ADC接口的DSP编程部分，这样你就能够毫不费劲地取得体系规划后续进程的成果。然后，规划每个独立的模仿通道并验证其功能。最终，将体系中的一切通道整合在一同，并对功能进行调试和验证。

本文由德州仪器(TI)公司资助