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在實(shí)際的電路應(yīng)用中,模擬信號(hào)的采集是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。工業(yè)控制一般需要采集各種現(xiàn)場參數(shù)(如溫度､壓力､流量等),并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行處理｡往往比較難處理的是信號(hào)采集部分｡隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字信號(hào)的處理無論從精度和速度上來說,都在不斷提高｡剩下的問題是如何方便地將模擬數(shù)據(jù)采集到微處理器中｡ 在許多嵌入式設(shè)計(jì)中,微控制器或者數(shù)字信號(hào)處理器需要處理若干個(gè)模擬信號(hào)才能完成一種控制功能或者一系列控制任務(wù)｡這些模擬信號(hào)往往需要先經(jīng)過某種處理(例如濾波､緩沖､或者放大),然后處理器才能精確地對(duì)它們進(jìn)行轉(zhuǎn)換,至少要把信號(hào)放大到系統(tǒng)能夠使用的電平｡因此,選擇合適的元器件將會(huì)對(duì)電路的設(shè)計(jì)起到事半功倍的作用｡ Microchip Technology公司推出的可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier, PGA)已將放大器､MUX和利用SPI總線選擇的增益控制器整合在了一起,從而可以協(xié)助用戶有效地提升系統(tǒng)的數(shù)碼仿真控制效能｡新器件專供各種工業(yè)和儀器市場以及信號(hào)和傳感處理領(lǐng)域使用｡新款MCP6S2x系列器件除可提供放大器功能外,還可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)碼控制效能,用戶可在SPI總線上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程,并可通過有效控制增益和選擇輸入信道來得到更大的設(shè)計(jì)靈活性｡此外,由于PGA不需要反饋和輸入電阻,因此,還可大幅減低成本并節(jié)省機(jī)板空間｡ 1 MCP6S2X芯片的功能和參數(shù) Microchip Technology公司的MCP6S21/2/6/8 是模擬增益可編程運(yùn)放(PGA)芯片｡該芯片的增益可設(shè)置為+1~+32V/V,而且具有輸入通道選擇功能, 可通過SPI總線選擇增益水平和輸入信道,以擴(kuò)大微控制器的仿真輸入范圍,同時(shí)可減少對(duì)輸入/輸出管腳數(shù)量的需求,從而降低微控制器的成本｡此外,單一信號(hào)路徑的多重信道還可協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)行仿真信號(hào)路徑的校準(zhǔn),以提高時(shí)間和溫度的準(zhǔn)確度｡該器件寬廣的頻帶特別適用于以較低電流運(yùn)行的放大器,并可減少產(chǎn)品對(duì)電源功率的需求｡ 1.1 芯片引腳定義 新款MCP6S21和MCP6S22具有8腳PDIP､SOIC和MSOP封裝,MCP6S26采用14管腳PDIP､SOIC和TSSOP封裝,MCP6S28則采用16管腳PDIP､SOIC和TSSOP封裝｡它們的引腳排列如圖1所示,表1所列是其引腳功能｡ 表1 MCP6S2X系列芯片引腳定義(MCP6S28為例) 管 腳 名 作 用 VOUT 模擬輸出 CH0~CH7 模擬輸入 VSS 電源負(fù)端 VDD 電源正端 SCK SPI時(shí)鐘輸入 SI SPI串行數(shù)據(jù)輸入 SO SPI串行數(shù)據(jù)輸出 CS SPI片選 VREF 外部參考電壓 1.2 特性參數(shù) ●輸入通道數(shù): 1､2､6或8個(gè)通道可選; ●頻寬:2MHz~12MHz; ●有8種增益選擇,分別為:+1,+2,+4,+5,+8,+10,+16或+32V/V; ●TDH+N:0.0012%; ●帶有串行外圍設(shè)備接口(SPI); ●增益誤差低:%26;#177;1%(最大); ●偏移低:%26;#177;275μV(最大); ●帶寬:2~12MHz(典型); ●噪音低:10nV/rtHz(典型); ●電源電流低:1.0mA(典型); ●偏置電壓低:275μV(典型); ●穩(wěn)定時(shí)間:200ns; ●單電源供電電壓:2.5V~5.5V; ●工作溫度范圍:-40~85℃｡ 2 工作原理 MCP6S28芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(其它類似)如圖2所示｡由圖可見,MCP6S2X芯片內(nèi)部由一些簡單的功能模塊構(gòu)成,可共同完成多路選擇､可變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)等功能｡MCP6S2X具有多路選擇輸入(MUX)模塊,共有八路輸入,可由軟件設(shè)置通道選擇｡不用的輸入引腳應(yīng)懸空,以使輸入電流最小｡當(dāng)然,接VDD或VSS時(shí),芯片也能正常工作?但輸入電流會(huì)變大｡ 內(nèi)部運(yùn)放部分主要由運(yùn)放､增益轉(zhuǎn)換器､梯形電阻(RLAD=RF+RG)等組成,可完成信號(hào)的放大和帶寬選擇,提高輸出電壓的精確性｡ SPI邏輯控制部分主要提供片選信號(hào)､同步時(shí)鐘､串行輸入輸出､上電復(fù)位､控制指令和數(shù)據(jù)讀寫以完成通路選擇和增益控制等功能｡上電復(fù)位電路POR(Power-On Reset)的功能是:當(dāng)電源電壓低于POR的限定電壓時(shí)?VDD 3 幾種多路采集電路的比較 在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中,每個(gè)模擬信號(hào)需用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和阻抗匹配,然后送到處理電路(參見圖3)｡這樣,在處理4路模擬信號(hào)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,最少需要4個(gè)運(yùn)算放大器､8個(gè)電阻､并需占用處理器4個(gè)I/O引腳(片內(nèi)含采樣保持A/D轉(zhuǎn)換)｡ 為了克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn),可采用多路復(fù)用方式,這是目前最常用的方式｡但應(yīng)注意,很多信號(hào)并不需要連續(xù)不斷地測量,所以可使用非同時(shí)進(jìn)行采樣的方案｡在需要使用高性能運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中,如果采用非同時(shí)進(jìn)行采樣的方案,則可用一個(gè)運(yùn)算放大器,然后在它前面接一個(gè)多路復(fù)用器(MUX),再通過它把幾路模擬信號(hào)接到一個(gè)共用的放大器上｡這樣,多路復(fù)用器就會(huì)按照處理要求,把各路模擬信號(hào)接到運(yùn)放上去｡其實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示｡ 使用多路復(fù)用器可以減輕傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題｡它可將占用的處理器I/O減少到一個(gè),所有需要放大的信號(hào)只需要用一只高性能的運(yùn)算放大器即可｡ 該方案由于減少了元件的數(shù)量,因此所需要的電流以及在電路板上占用的空間也減少了｡但同時(shí),該方案也需要增加某些元件的成本和數(shù)量｡有些比較新的器件看起來較為經(jīng)濟(jì)有效,但是控制起來并不容易,所以并不適合現(xiàn)代嵌入式控制系統(tǒng)使用｡為了控制增益或選擇信號(hào),這些器件在接到處理器上時(shí),同樣需要使用較多的I/O引腳｡因此,這種系統(tǒng)所用器件比較多,不利于進(jìn)一步提高集成度,而且易受干擾｡ 對(duì)于上述情況,若使用一只MCP6S2X增益可編程放大器,那么前面講到的處理多路模擬信號(hào)的系統(tǒng)所存在的問題便迎刃而解了｡處理器上的SPI端口可用來把命令送到MCP6S28增益可編程放大器上,以便選擇把哪一路信號(hào)接到處理器,同時(shí)也可以改變放大器的增益｡這樣,就有可能改變每一路信號(hào)的增益,而且可以在處理信號(hào)的同時(shí)改變?cè)鲆?#65377;如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)太弱,處理器就可以增大這個(gè)信號(hào)的增益｡當(dāng)信號(hào)達(dá)到較高的電平時(shí),處理器則可以降低增益｡圖5是采用MCP6S2x系列器件進(jìn)行設(shè)計(jì)的方案示意圖｡ 4 應(yīng)用電路 圖6為MCP6S2X系列芯片的應(yīng)用硬件連接圖?筆者在設(shè)計(jì)“工藝對(duì)象仿真裝置”數(shù)據(jù)采集板時(shí)?項(xiàng)目要求對(duì)加熱爐對(duì)象進(jìn)行仿真?該對(duì)象為多輸入多輸出對(duì)象,它不僅需要輸入溫度､壓力等參數(shù),也要有擾動(dòng)信號(hào)(隨機(jī)干擾和確定性干擾)｡該對(duì)象的多個(gè)輸入?yún)?shù)被采集到單片機(jī)中后,單片機(jī)將根據(jù)該對(duì)象的傳遞函數(shù)進(jìn)行處理或通過串口將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理?并最后輸出仿真結(jié)果｡ 本設(shè)計(jì)采用6通道的MCP6S26來進(jìn)行,因?yàn)锳T89C52單片機(jī)沒有三線制串行總線接口,所以,在它與MCP6S26通過三線制串行總線連接時(shí),應(yīng)使用軟件模擬三線制串行總線來操作,包括串行時(shí)鐘､數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出｡因此,可用P1.7來模擬片選端CS,P1.4模擬時(shí)鐘輸入端SCK,P1.6模擬數(shù)據(jù)輸入端SI,P1.5模擬數(shù)據(jù)輸出端SO｡為節(jié)約單片機(jī)的I/O口,設(shè)計(jì)中還選用了串行總線(I2C總線)A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC0832｡ 對(duì)MCP6S26進(jìn)行操作的控制字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)均從SI引腳輸入,并在寫入數(shù)據(jù)的串行時(shí)鐘(SCK)上升沿被鎖存｡從芯片讀取的數(shù)據(jù)則從SO引腳串行移出,并在串行時(shí)鐘的下降沿輸出｡整個(gè)數(shù)據(jù)交換期間,CS必須保持低電平｡ 5 結(jié)論 MCP6S2X增益可編程放大器特別適用于多路信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì),因而可廣泛應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)控制､數(shù)據(jù)采集､測試設(shè)備､多路傳輸模擬應(yīng)用､工業(yè)以及醫(yī)療儀器等方面｡由于處理器是通過軟件對(duì)模擬信號(hào)電路進(jìn)行控制,所以其適應(yīng)性和靈活性很高｡采用MCP6S2X增益可編程放大器時(shí),原來需要較多元件的設(shè)計(jì)現(xiàn)在僅需一個(gè)元件即可,因此可以大大簡化以前復(fù)雜的電路設(shè)計(jì),提高工作效率｡ |
