ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）是一種廣泛應(yīng)用在商業(yè)，工業(yè)，醫(yī)療，通訊，國(guó)防及航太等多種領(lǐng)域內(nèi)混合集成電路芯片，在各種設(shè)備中充當(dāng)了模擬世界和數(shù)字世界之間必不可少的橋梁。ADC確保了模擬信號(hào)能夠被各類感知，測(cè)量與控制系統(tǒng)有效地監(jiān)測(cè)、控制和處理。我們常通過(guò)各種傳感器來(lái)感知現(xiàn)實(shí)物理世界中各種的參數(shù)，由前端傳感器將各種物理參數(shù)如流量、光強(qiáng)、姿態(tài)、加速度、距離、溫度、壓力等按照特定的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成電壓或者電流信號(hào)，然后再由ADC器件將這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

 

我們可以把包含前端信號(hào)調(diào)理電路，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，微處理器構(gòu)成的電路功能塊稱之為數(shù)據(jù)采集模塊（DAQ Module）。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)時(shí)，ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）是一個(gè)非常關(guān)鍵有源器件，它能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供后續(xù)處理器(MCU/DSP/FPGA)或其他數(shù)字電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

 

全球知名模擬器件公司MPS(芯源系統(tǒng)股份有限公司)于2024年3月，發(fā)布了一款工業(yè)級(jí)高速12位ADC(MDC97476, 12bit,1Msps,SOT23-6)，并將于近期陸續(xù)發(fā)布微尺寸16位ADC，高精度24位ADC，以滿足嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集需求。

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以下是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)的基本要點(diǎn)：

 

1. 選擇合適的ADC類型

 

分辨率：工業(yè)，醫(yī)療級(jí)的應(yīng)用通常要求高精度。ADC分辨率越高，采集回來(lái)信號(hào)的精度就越高，但轉(zhuǎn)換時(shí)間也會(huì)增加。我們要根據(jù)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的采集精度，來(lái)選擇適用的分辨率，如12位，16位，18位或24位。要注意ADC的有效位數(shù)（ENOB）通常低于ADC標(biāo)稱的分辨率。而且ENOB性能也可能隨輸入頻率變化而變化。所以我們要綜合考慮一些具體參數(shù)，例如DNL/INL（靜態(tài)非線性）以及SNR/THD/SFDR（信噪比/諧波失真/無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍）等。此外，以上指標(biāo)通常衡量“相對(duì)精度”（即線性度），因?yàn)樵谥T如各類通訊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)應(yīng)用中線性度是最重要的指標(biāo)。在另外一些應(yīng)用中（如精密測(cè)量系統(tǒng)），也重視“絕對(duì)精度”（包括增益誤差/零位偏移）。由于“絕對(duì)精度”取決于除了ADC本身性能以外的其他參數(shù)的，如輸入模擬前端，參考源等，這時(shí)常需要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)誤差校準(zhǔn)。

 

采樣率：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的采樣率。高速應(yīng)用（如工業(yè)級(jí)高速閉合伺服控制環(huán)路）需要高采樣率（0.1-100Msps量級(jí)），而低速應(yīng)用（如溫度，壓力，濕度監(jiān)測(cè)）則可以使用較低的采樣率（10-1000sps量級(jí)）。

 

ADC架構(gòu): 常用ADC架構(gòu)有逐次逼近型（SAR）、ΔΣ（Delta-Sigma）及流水線型 (Pipelined)。SAR架構(gòu)適用于中高速和高精度應(yīng)用，ΔΣ適用于低速、高精度或超高精度應(yīng)用領(lǐng)域。流水線型ADC適合于1MHz-10GHz的高速/超高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，如雷達(dá)，衛(wèi)星通信 ，數(shù)字示波器，頻譜分析儀。

 

2. 前端信號(hào)調(diào)理

 

模擬前端設(shè)計(jì)：為了保證ADC的測(cè)量精度，輸入信號(hào)需要經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理。常用的信號(hào)調(diào)理方法包括信號(hào)放大及緩沖、增益調(diào)節(jié)、斬波、濾波器、隔離器等，來(lái)處理各種不同的傳感器信號(hào)。

 

濾波器設(shè)計(jì)：為了避免量化后的信號(hào)混疊，通常在ADC前加入低通濾波器, 即抗混疊濾波器(Anti-Aliasing Filter)。ΔΣ ADC內(nèi)部常帶有數(shù)字濾波器，但ADC輸入端前仍然可能需要加入模擬低通濾波器來(lái)消除高頻噪聲干擾。

 

3. 抗干擾和信號(hào)完整性

 

電源和地設(shè)計(jì)：工業(yè)環(huán)境中可能存在較多的電磁干擾（EMI），需要特別注意ADC的供電電源設(shè)計(jì)和接地方式。可以使用隔離電源、屏蔽線、精密接地和去耦電容，可以有效減少電源紋波對(duì)ADC的干擾。

共模噪聲處理：使用差分信號(hào)輸入可以有效降低共模噪聲，從而提高信號(hào)的信噪比。在存在較大共模噪聲干擾的電路板上，建議ADC輸入通常采用差分信號(hào)走線模式來(lái)降低共模噪聲的干擾。

噪聲敏感性：選擇低噪聲的ADC和前端電路，如低噪聲運(yùn)算放大器、穩(wěn)壓器及參考源等。設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量減少信號(hào)鏈中其他器件引入的噪聲。

 

4. ADC通信接口選擇

 

SPI/I2C/并行接口：許多ADC通過(guò)SPI/I2C/并行接口總線與上位處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SPI總線的最高時(shí)鐘頻率SCK可以高達(dá)40MHz, 因此可以提供更高的數(shù)據(jù)通信、傳輸速度。而I2C接口適用于低速，多ADC共享總線的分布式ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，I2C接口的典型工作時(shí)鐘頻率為100/400/3400kHz。并行接口適用于高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，如數(shù)據(jù)采樣率為1MSPS-10GSPS的應(yīng)用場(chǎng)景。

 

隔離通信：為了避免工業(yè)環(huán)境中的共模噪聲，或者感應(yīng)電流環(huán)干擾，我們可以使用光電隔離器、隔離放大器或隔離的SPI/I2C接口器件來(lái)保護(hù)ADC及上位控制器。

 

5. 校準(zhǔn)與溫度補(bǔ)償

溫度補(bǔ)償：工業(yè)應(yīng)用環(huán)境溫度變化較大，ADC的增益、零位偏移等參數(shù)可能隨溫度變化。 在高精度測(cè)量應(yīng)用中，我們可能需要考慮溫度補(bǔ)償，或使用具有內(nèi)置溫度傳感器的ADC,來(lái)感知ADC工作環(huán)境溫度的變化。

 

增益、零位偏移校準(zhǔn)：信號(hào)鏈路的增益誤差通常來(lái)自前端信號(hào)調(diào)理放大器、參考源及ADC，因此對(duì)增益誤差敏感的應(yīng)用中，如優(yōu)于0.1%的高精度測(cè)量系統(tǒng)，我們可以采用固件(Firmware)定期自動(dòng)對(duì)整個(gè)信號(hào)鏈路進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)（包括增益、零位偏移校準(zhǔn)）以保證數(shù)據(jù)采集模塊的精度。也可以根據(jù)模塊的使用溫度變化，來(lái)進(jìn)行自動(dòng)溫度補(bǔ)償, 以保證全溫度工作范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集精度。

 

6. 容錯(cuò)與安全性

冗余設(shè)計(jì)：在重要的工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集模塊需要冗余設(shè)計(jì)，如使用多個(gè)ADC或多采集路徑以提高系統(tǒng)可靠性。

過(guò)壓保護(hù)：在設(shè)計(jì)ADC輸入時(shí)，必須確保輸入端有過(guò)壓保護(hù)，以免意外的電壓峰值干擾損壞ADC器件，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

 

7. 穩(wěn)健性和長(zhǎng)期可靠性

工業(yè)級(jí)組件選擇：選用高可靠性的工業(yè)級(jí)ADC和其他電子元件，這些組件通常具有更高的溫度適應(yīng)性和更長(zhǎng)的壽命。

封裝和環(huán)境適應(yīng)性：考慮模塊在惡劣工業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性，如防塵、防水（IP等級(jí)）、防潮、抗腐蝕等。

 

8. 軟件與固件

錯(cuò)誤檢測(cè)與處理：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)，上位機(jī)控制軟件中應(yīng)包含錯(cuò)誤檢測(cè)與處理機(jī)制，如校驗(yàn)碼、看門(mén)狗、容錯(cuò)處理等功能。

數(shù)據(jù)濾波和處理：在采集到的數(shù)據(jù)中，通常需要進(jìn)行一些濾波處理（如平均濾波、卡爾曼濾波等）以去除噪聲干擾并保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性。

 

我們可以基于上述技術(shù)要點(diǎn)，來(lái)有效設(shè)計(jì)出高精度、可靠、穩(wěn)健的工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)采集模塊，滿足您的各種特殊應(yīng)用需求。如果您需要了解MPS的ADC產(chǎn)品， 歡迎前往MPS立創(chuàng)商城主頁(yè)查找相關(guān)的ADC產(chǎn)品參數(shù)。

 

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