选择复用ADC时要做出正确的选择
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随着工业自动化向更紧密集成、更多信道数量和更以数据为中心的运营演进，数据采集的角色也发生了转变。模数转换器（ADC）曾经是简单的采样组件，如今已成为复杂的子系统，必须与分布式传感器接口，承受恶劣环境，并实时提供可靠的测量。
现代复用ADC——集成了通道选择多路复用器、可编程增益放大器、滤波模块以及日益复杂的诊断技术的设备——已成为过程控制的关键技术，实现了可扩展、经济且高密度的信号采集。
从化工和石化工厂到水处理系统、发电、采矿和离散制造的工业过程，都依赖大量模拟测量。这些包括温度（电阻温度检测器[RTDs]、热电偶）、压力（桥式传感器、压阻元件）、流动（差压、科氏传感器）、电平（超声波、电容、雷达模拟读数）以及电压和电流（发射器、感应传感器）。
在传统系统中，每个传感器通常需要一个数字转换器（ADC）、调节链和通道接口。这意味着成本高昂、占地面积大且灵活性有限。
现代多路复用ADC可通过共享转换器核心服务数十个传感器，大幅减少板空间、功耗、每通道成本和校准开销。由于过程控制越来越需要数字化，更贴近现场，复用ADC使得在智能发射机、分布式I/O节点和边缘控制单元中嵌入多通道测量变得更容易。
现代复用ADC的技术优势
首先，高集成度降低了系统复杂度。如今的多路复用ADC集成了输入多路复用器（8至128通道）、低噪声可编程增益放大器（PGA）、数字和模拟滤波器、传感器激励电路、开线检测、引线断开和短路检测，甚至内置校准引擎。
多路复用器使用单个ADC快速切换多个模拟信号，一次路由一个信号进行数字化。可编程增益放大器（PGA）对每个输入通道的模拟信号进行调控，使其能够最大限度地利用ADC可用的测量范围。
这种整合减少了物料清单（BOM）规模，确保通道切换、缩放和错误处理在整个测量链中表现一致。
ADC还具有较低功耗以实现高信道密度。制造商优化了转换器磁芯，使每个转换步骤的功耗降低，使得使用电池供电或能量采集现场设备、紧凑型分布式I/O模块（无需激进冷却）以及按信道进行功率扩展，具体取决于采样需求。
许多现代转换器还采用“突发模式”采集，快速转换并进入睡眠状态——非常适合缓慢变化的过程变量。
现代复用ADC还提供了更高的精度和更好的噪声表现。它们通常利用∑-Δ（σ-δ）转换、斩波稳定的PGA、低漂移参考缓冲器和过采样滤波器。
这提供了更高的有效分辨率——通常为18到24位——对于许多传感器类型无需外部信号调控。凭借设计良好的抗锯齿滤波器和精心的PCB布局，复用ADC可以与多转换器系统媲美。较老的ADC多路复用器在频道切换后稳定时间较长。新设计提供了可编程的数字滤波器窗口，优化通道序列，快速稳定模式用于阶跃输入，以及每通道的滤波器调谐以适应混合速度输入。这使得混合工作负载能够实现，例如振动或电机电流通道的快速采样，或温度或压力通道的慢采样——全部在单一设备上实现。现代设备通常提供灵活的传感器接口，可能包括RTD（2线、3线、4线配置）、热电偶（冷结补偿支持）、桥式传感器（应变、压力）、4至20毫安发射机（带内部并联集成）以及一般电压和电流测量的硬件和固件支持。这种多功能性使得单一多路复用器/ADC解决方案能够处理整个过程滑轨或模块化I/O模块化。最后，现代ADC通常内置诊断和安全功能。对于流程工业——尤其是在化工、石油天然气和电力系统领域——诊断对于安全完整性等级（SIL）至关重要。典型产品包括每通道故障检测、传感器开路和传感器短路检测、数据输出的CRC保护、看门狗计时器、参考监控以及内部温度传感器。
这些能力在配合适当的微控制器诊断时支持 IEC 61508/SIL2+ 架构。
如何选择合适的多路复用ADC？
选择多路复用ADC涉及若干关键工程考量，涵盖可扩展性和转换架构等主题。
1. 通道数量与可扩展性
考虑一个随着系统增长而扩展的ADC家族。提问：
厂商有没有提供带有更多通道的PIN兼容设备？
支持串联或通道堆叠吗？（在大型分布式I/O机架中，可串联的∑-∆设备减少布线拥塞，简化电路板路由。）
2. 转换架构：∑-∆ vs. SAR
∑-∆（Sigma-Delta）
高分辨率（18位到24位）
非常适合处理缓慢运动的变量（温度、压力）
强噪声抑制（对于快速瞬态测量效果差）
SAR（逐次近似）
快速（每信道最高可达多MSPS）
适合振动、电流控制和快速循环（通常分辨率较低，12到18位）
混合系统
许多工厂使用∑-∆的ADC处理慢过程变量，使用SAR处理快速控制环路。
3. 多路复用器稳定时间
对于需要快速采样多个通道的应用至关重要。评估：
内部切换瞬态
频道更换后的PGA回应
每个通道所需的采集时间
全尺寸过渡期间的最坏情况沉降
考虑在预期传感器特性下具有快速且可预测沉降行为的设备。
4. 输入阻抗与传感器兼容性
桥式传感器和热电偶偏好高输入阻抗以减少加载误差。4至20毫安的回路需要：
精密并联电阻
与高共模电压的隔离
强健瞬态保护
检查ADC是否能容忍：
± 共模
高电磁干扰环境
诱发浪涌和静电停电事件
5. 数字接口考虑
串行外设接口（SPI）最为常见，但较新的设备支持：
I2C用于低速简易
多通道吞吐量的高速SPI
适用于长距离电缆布线或噪声环境的LVDS或JESD204式接口
查找：
CRC保护的数据流
兼容噪声工业背板的时钟方案
支持电隔离
6. 稳健性、合规性和环境评级
在工艺工厂中，ADC会受到温度漂移、振动、湿度、灰尘和电噪声的影响。选择设备，额定为：
−40至+125°C作
IEC 61000-4 浪涌/静电干扰/EMI 免疫
ISO/IEC本质安全要求（如在危险区域）
可预测的漂移，跨越漫长寿命
过程控制应用的部署技巧
1. 传感器激励与接地
RTD和应变计需要稳定的激发。最佳实践：
使用带有内置电流源的ADC。
在ADC附近放置激励-回波感应线。
通过使用星形接地或隔离前端来避免接地环路。
对于热电偶，请确保：
冷结补偿（CJC）具有准确性和热稳定性。
PCB 层间的热梯度被最小化。
2. 抗锯齿、滤波和过采样
工艺环境处理来自泵、变频器、电机和焊机的电磁干扰。
设计规则应始终包括为每个通道实现被动抗锯齿滤波器，调整每个传感器的数字滤波，利用过采样提升信噪比而不更换硬件，以及将切换事件分散到不同序列以减少串扰。
3. 复用ADC的PCB布局
复用会增加信道耦合风险。
布局建议包括隔离模拟和数字接地、保持模拟线路较短（尽可能使用差分线）、保护高阻抗输入的关键节点、物理上将高压I/O与低电位传感器线路分离，以及使用实心接地参考和低阻抗返回路径。
4. 校准与自测
多路复用ADC受益于每通道偏移/增益校准、调试期间的系统级校准、利用内部参考进行定期在线校准，以及利用内置诊断工具发现漂移或接线故障。
许多制造商还内置自动校准发动机，并利用它们来减少停机时间。
5. 隔离与安全整合
对于分布式过程控制模块，目标是在传感器工作于高共模电位时隔离模拟前端，使用数字隔离器作为与主机CPU的串行外设接口（SPI）链路，并将ADC诊断与PLC/RTU逻辑结合以符合SIL标准。
隔离不仅提高了安全性，还减少了噪声引起的测量误差。
6. 供应商生态系统与固件支持
选择制造商不仅仅是硅片。还要考虑开发套件的可用性;示例固件;长期可用性路线图;数据手册的准确性，尤其是漂移参数;在线支持和应用说明;以及易于集成进工业自动化堆栈。
多路复用ADC的领先厂商包括模拟器件（Analog Devices）、美信（Maxim Integrated，模拟器件）、微芯（Microchip）、瑞萨（Renesas）和德州仪器（Texas Instruments）。
总结
现代多路复用 ADC 是实现高密度、高可靠性过程控制的核心组件，其集成的模拟前端、诊断功能、滤波模块以及灵活的通道时序控制，能够帮助工程师降低系统复杂度，同时提升测量精度与鲁棒性。
选型时需结合信号类型、精度要求、通道数量、环境条件、通信带宽与诊断需求进行综合评估。
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