一种高精度多通道数据采集模块设计及实现

王凌伟，王永国，秦冲

（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710065）

摘要：测试系统中的信号采集是系统的一个重要环节，在工业测控系统或实验室中，需要多通道的信号采集装置实现对模拟信号的采集。针对采集设备的通用性、小型化和高精度的要求，设计一种高精度多路数据采集模块，采用高精度A/D转换芯片，通过巡回采样的方法采集16路16位模拟量信号，实验表明，该方法特别适用于高精度工业现场数据采集。

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关键词：多路选择开关；程控放大器；A/D转换器；信号采集

中图分类号：TN919.2?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0129?03

收稿日期：2015?01?24

0 引言

在工业过程控制以及其他一些系统的信号检测中，需要采集大量传感器的测量值，大部分的温度、压力、位移、流量等传感器都是将物理信号转化为对应的电压信号，再进一步送入嵌入式计算机内部进行传感器的数据获取。嵌入式计算机为了完成传感器数据的获取，必须设计具有能够获取传感器信号的高精度多路数据采集功能模块。

1 数据采集系统概述

数据采集系统的结构如图1 所示，由图可知，数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、A/D转换器和逻辑控制部分等组成[1]。

1.1 传感器

传感器的类型有很多，如测量温度有热电偶传感器、热敏电阻传感器等；测量机械力的有压力传感器、应变片传感器等；测量机械位移的有电感位移传感器、光栅位移传感器等。这些传感器将现实世界的温度、压力、位移、流量等非电量，转换成为电信号，然后进入计算机内进行处理、运算和记录。

1.2 模拟多路开关

在采集频率不高的应用背景下，一般采用公共的A/D转换器，分时对各路模拟量进行模/数转换，从而可以简化电路设计、降低成本。一般使用模拟多路开关来轮流切换各路模拟量与A/D转换期间的通道，使得在一个特定的时间内，只有一路模拟信号输入到A/D转换器。

1.3 程控放大器

在数据采集系统中，来自传感器的模拟信号有的是比较微弱的低电压信号，而A/D转换器的满量程输入电压多数是2.5 V，5 V或10 V，而且A/D转换器的分辨率是以满量程电压为依据确定的。使用可编程放大器的作用是将微弱的输入信号比例放大，从而充分利用A/D转换器的满量程分辨率。

1.4 A/D转换器

A/D转换器主要实现将模拟信号转换为数字信号，它是采集系统的核心。A/D 转换器是影响整个数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。

1.5 逻辑控制

数据采集系统各器件的定时关系比较严格，逻辑控制器件控制数据采集系统各器件工作，其控制过程顺序[2]为：

（1）模拟多路开关开始切换；

（2）等待通道建立时间，即通道电压建立完成；

（3）A/D转换器开始转换；

（4）等待A/D转换器时间，即A/D转换器转换到位；

（5）读取A/D转换值。

2 电路设计与实现

多通道数据采集电路如图2 所示[3]，该电路能以最高16位分辨率处理16通道单端输入电压信号。每通道采样速率使用AD976[4]最高可达100 KSPS，使用AD976A最高可达200 KSPS；所有输入通道的通道切换速率最高可达16.447 kHz。

信号处理电路通过可编程逻辑器件实现通道间自动切换，实现顺序采集多个通道，也可加载固定的二进制通道地址，用于单通道采集。

2.1 建立时间分析

采集电路工作在连续切换模式下，1个模拟多路开关的16个通道单端信号合并为时分多路复用信号，然后信号进入高阻抗、低容抗的AD620[5]缓冲。

输入前置滤波电路、模拟多路开关和放大器输入等效电路如图3所示。ADG506[6]输入寄生电容5 pF，输出引脚寄生电容44 pF，内部等效电阻500 Ω；AD620引脚穿接电阻4.7 kΩ，RF滤波电容为1 nF，可得到时间常数近似为τ = RC =（0.5+4.7）kΩ×1 nF=5.2 μs，针对简单RC网络建立时间与给定精度之间的关系，当需要分辨率不低于16位，RC网络建立时间常数为11.09τ，在此取整为12τ = 60.8 μs，所以开关速率最高可达为f =16.447 kHz。

2.2 误差分析

对多通道数据采集电路进行误差分析，简化模型后如图4所示。

电压，单位为V。

（3）A/D转换器误差

A/D转换器采用16位的AD976，其输入电压范围为0~±10 V，线性误差为±2 LSB，参考电压为DC 2.50 V，转换时间最大4 μs，满量程误差为±0.25% FS（0.05 V），失调误差最大为±10 mV。

AD976 输入电压量程范围最大为± 10 V，1 LSB = 20 V 216 = 0.305 mV。

AD976的误差由增益误差、失调误差和非线性误差引起，其中AD976的失调误差可通过外部50 kΩ外部电位器进行调整至±1 2 LSB，增益误差可通过50 kΩ外部电位器进行调整至±2 LSB，综合考虑A/D 线性的误差± 2 LSB，此时的A/D转换时丢失的编码值最大为4.5 LSB，相对于满量程其转换误差仅为±0.007%。

如果不对AD976的增益误差、失调误差进行调整，则相对于满量程其转换误差为±0.2%，AD976不用电位器调整也可满足A/D测量精度。

（4）总误差

综上所述，有：

V采集= Vin × 99.999 9% × 99.9% × 99.8% = Vin × 99.70% （3）

式中：V采集为A/D采集得到的电压值，单位为V；Vin 为输入端的电压值，单位为V。

因此，在A/D 采集芯片不用电位器进行调整时，电路采集直流信号的最大误差为0.3%，满足绝大多数工业现场数据采集的要求。

3 逻辑控制流程

在此设计采集系统的控制为查询方式进行巡回采样，一次采样过程如下：首先发起对第一通道的切换，然后启动A/D转换器，待转换结束后获取到第一通道结果并存出寄存器；再发起对第二通道的切换，然后启动A/D转换器，待转换结束后获取到第二通道结果并存出寄存器……，直至所有通道采样完毕，即完成一次采样过程。不断循环上述采样过程。查询方式的流程图如图5所示。

设计使用查询方式的优点是：要求的硬件少，编程实现简单，特别是询问与执行程序同步，能准确知道A/D转换所需要的时间。同时，在每个采样周期内都对每路模拟信号进行多次采样，以保证能获取可靠的采样值，程序流程图中的巡回采集遍数就是为了对每个模拟信号进行多次采样。

4 结语

本采集模块设计适用于小体积、低功耗、低成本的嵌入式计算机设备，通过选择不同的A/D 转换器、模拟多路开关和程控放大器的，可满足不同环境采集系统对电压信号的采集需求。