开放型多通道高精度采集与实时处理模块

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作者：国防科学技术大学机电工程与自动化学院杜金榜王跃科乔纯捷潘仲明时间：2007-03-02来源：电子产品世界收藏

摘要: 基于MUX、PGA、DCP、DAC、ADC、ISP/CPLD/FPGA、DSP等先进IC，本文融大动态范围程控模拟前端调理（AFE）、高精度采集与实时处理、自校准、自诊断、高速同步互联和测量、控制、通信、计算机（MC3）一体化，对开放型、模块化多通道高精度数据采集与实时处理模块的经典实现方法进行了深入分析。

关键词: 开放型；多通道；高精度采集；实时处理

引言

数据采集与处理是现代仪器科学与技术的基础，是利用微电子技术、信息技术等领域的最新研究成果以解决信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析。其主要技术指标包括通道增益、带宽、采样速率、分辨率、精度、通道缓存、数据记录容量、实时性及通讯控制接口等。纵观历史，剖析现状，展望未来，可以预见：数据采集与处理系统将朝着高速度、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环境适应性和长寿命的“六高一长”的方向发展。基于先进IC技术，本文致力于融大动态范围程控模拟前端调理、高精度连续采集与实时处理、自校准、自诊断、高速同步互联和测量、控制、通信、计算机(MC3)一体化对开放型、模块化、数字化、多通道高精度数据采集与实时处理模块的经典实现方法作深入分析，并在实际应用中取得良好效果。

采集系统性能分析

“属性完整，量值准确”是数据采集与处理系统追求的终极目标。采集系统诸多技术指标中最为重要的是系统的分辨率、精度、动态范围与采样速率。采样速率取决于ADC(模-数转换器)本身，可通过器件选型来解决。而系统分辨率通常用最低有效位值(LSB)或ADC转换位数来衡量。动态范围(DR)和精度(衡量指标：相对误差)是决定系统设计成败的关键。根据各自定义公式：

分析可知：影响采集系统性能的主要因素是ADC转换位数和输入ADC的电压范围。为扩大系统测试动态范围和实现精密测量，除了选择性能优良的ADC芯片和充分抑制信号传输通道噪声外，还需要将大动态范围的输入电压信号经模拟前端进行程控精密调理，实现ADC最佳输入范围。同时加上通道自动调零和增益校准环节，动态补偿模拟通道系统误差，从而实现系统的最佳性能。

AFE经典设计及自校准方法

基于以上分析，为实现大动态范围内输入信号的高精度采集，采集通道模拟前端(AFE)应包括输入阻抗匹配、放大、衰减、滤波、偏置、自校准和调零等功能单元。本文从开放性、模块化与可程控角度出发，提出用MUX(复选开关)，PGA(程控增益放大器)，DCP(数字可控电位器)，LPF(抗混迭滤波器，包括集成式程控滤波器)，DAC(数-模转换器)、ISP(系统内可编程器件)/FPGA(现场可编程门阵列)构建经典高性能AFE，如图1所示。