開放型多通道高精度采集與實時處理模塊

摘要:  基于MUX、PGA、DCP、DAC、ADC、ISP/CPLD/FPGA、DSP等先進IC，本文融大動態(tài)范圍程控模擬前端調理（AFE）、高精度采集與實時處理、自校準、自診斷、高速同步互聯和測量、控制、通信、計算機（MC3）一體化，對開放型、模塊化多通道高精度數據采集與實時處理模塊的經典實現方法進行了深入分析。

關鍵詞: 開放型；多通道；高精度采集；實時處理

引言

數據采集與處理是現代儀器科學與技術的基礎，是利用微電子技術、信息技術等領域的最新研究成果以解決信息的獲取、傳輸、變換、存儲、處理與分析。其主要技術指標包括通道增益、帶寬、采樣速率、分辨率、精度、通道緩存、數據記錄容量、實時性及通訊控制接口等?？v觀歷史，剖析現狀，展望未來，可以預見：數據采集與處理系統(tǒng)將朝著高速度、高精度、高靈敏、高穩(wěn)定、高可靠、高環(huán)境適應性和長壽命的“六高一長”的方向發(fā)展?；谙冗MIC技術，本文致力于融大動態(tài)范圍程控模擬前端調理、高精度連續(xù)采集與實時處理、自校準、自診斷、高速同步互聯和測量、控制、通信、計算機(MC3)一體化對開放型、模塊化、數字化、多通道高精度數據采集與實時處理模塊的經典實現方法作深入分析，并在實際應用中取得良好效果。

采集系統(tǒng)性能分析

“屬性完整，量值準確”是數據采集與處理系統(tǒng)追求的終極目標。采集系統(tǒng)諸多技術指標中最為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精度、動態(tài)范圍與采樣速率。采樣速率取決于ADC(模-數轉換器)本身，可通過器件選型來解決。而系統(tǒng)分辨率通常用最低有效位值(LSB)或ADC轉換位數來衡量。動態(tài)范圍(DR)和精度(衡量指標：相對誤差)是決定系統(tǒng)設計成敗的關鍵。根據各自定義公式：

分析可知：影響采集系統(tǒng)性能的主要因素是ADC轉換位數和輸入ADC的電壓范圍。為擴大系統(tǒng)測試動態(tài)范圍和實現精密測量，除了選擇性能優(yōu)良的ADC芯片和充分抑制信號傳輸通道噪聲外，還需要將大動態(tài)范圍的輸入電壓信號經模擬前端進行程控精密調理，實現ADC最佳輸入范圍。同時加上通道自動調零和增益校準環(huán)節(jié)，動態(tài)補償模擬通道系統(tǒng)誤差，從而實現系統(tǒng)的最佳性能。

AFE經典設計及自校準方法

基于以上分析，為實現大動態(tài)范圍內輸入信號的高精度采集，采集通道模擬前端(AFE)應包括輸入阻抗匹配、放大、衰減、濾波、偏置、自校準和調零等功能單元。本文從開放性、模塊化與可程控角度出發(fā)，提出用MUX(復選開關)，PGA(程控增益放大器)，DCP(數字可控電位器)，LPF(抗混迭濾波器，包括集成式程控濾波器)，DAC(數-模轉換器)、ISP(系統(tǒng)內可編程器件)/FPGA(現場可編程門陣列)構建經典高性能AFE，如圖1所示。

圖1 數據采集的高性能AFE經典實現

經典AFE模塊可作為一個獨立的單元通過接受MPU/DSP的程控選擇，在抑制噪聲、將大動態(tài)范圍(