本應(yīng)用筆記介紹了基于PC的14位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它采用系統(tǒng)方法，包括所有必要的構(gòu)建模塊：模擬、數(shù)字、硬件和軟件。它討論了每個步驟，在集成系統(tǒng)之前分別測試系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了在此過程中學(xué)到的陷阱。

關(guān)于典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的構(gòu)建模塊的文章很多，但很少有文章涉及從模擬輸入到PC顯示的整個系統(tǒng)。為了解決設(shè)計(jì)完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時遇到的所有問題，工程師可能需要收集十篇文章。

以下應(yīng)用筆記描述了基于PC的14位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它采用系統(tǒng)方法，包括所有必要的構(gòu)建模塊：模擬、數(shù)字、硬件和軟件。它討論了每個步驟，在集成系統(tǒng)之前分別測試系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了在此過程中學(xué)到的陷阱。

設(shè)計(jì)規(guī)范

任務(wù)：設(shè)計(jì)基于帶片內(nèi)RAM（MAX14）的125位同步采樣ADC的功率計(jì)。

對于任何嘗試使用傳統(tǒng)儀器測量DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出特性的人來說，對功率計(jì)的需求都是顯而易見的。該設(shè)計(jì)允許用戶在被測器件上執(zhí)行負(fù)載測量，而無需連接無窮無盡的意大利面條式測試引線。圖 1 顯示了個人計(jì)算機(jī) （PC） 監(jiān)視器上完整的功率計(jì)顯示。

圖1.帶有示例讀數(shù)的視窗電腦輸出。

為了滿足升壓、降壓和線性實(shí)現(xiàn)的需求，輸入和輸出的測量范圍均選擇為30V。大多數(shù)高質(zhì)量的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的工作頻率為 100kHz 或更高。因此，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)應(yīng)高于100kHz，但較慢的響應(yīng)也是可以接受的，因?yàn)殚_關(guān)波形具有合理的重復(fù)性。

系統(tǒng)的14位分辨率在設(shè)計(jì)階段并不是最重要的，因?yàn)?.1%（10位）以內(nèi)的測量對于大多數(shù)功率計(jì)應(yīng)用來說已經(jīng)完全足夠了。數(shù)字化后，結(jié)果通過RS-232接口上傳并顯示在PC屏幕上，更新速率為每秒一次（與大多數(shù)萬用表一樣）。一旦數(shù)據(jù)到達(dá)RS-232端口，PC的力量就可以釋放出來。完整的電路圖（圖2）將在以下章節(jié)中討論：

圖2.電路圖。

模擬前端

精密電阻分壓器可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 30V 的精確電壓測量。Vishay 薄膜的 ORNA10-1 是一個經(jīng)過調(diào)整的電阻網(wǎng)絡(luò)，包括兩個 1kΩ 值和兩個 10kΩ 值。這四個電阻的比例精度為0.05%，因此提供施加電壓的精度分?jǐn)?shù)（1/11）。MAX125的故障保護(hù)輸入具有±5V范圍，在故障條件下具有一定程度的安全性，并為輸入和輸出電壓測量提供了充足的裕量。

輸入和輸出電流使用精密電流放大器MAX471測量。該器件測量內(nèi)部 30mΩ 電阻兩端的電壓，并提供幅度等于每安培高端電流 500uA 的輸出電流。因此，外部電阻的值縮放輸出電壓，在這種情況下，通過選擇4.7kΩ的值來實(shí)現(xiàn)合適的分辨率。

MAX125的寬輸入能力和故障保護(hù)電路使其輸入阻抗低于同等競爭器件，因此在進(jìn)入ADC之前對四個讀數(shù)進(jìn)行緩沖。單位增益緩沖級取自MAX4254四通道精密運(yùn)算放大器，其輸入失調(diào)電壓（70uV）低于系統(tǒng)分辨率。

MAX125輸入經(jīng)過緩沖主要是為了克服其低輸入阻抗，但即使轉(zhuǎn)換器具有高輸入阻抗，從低阻抗驅(qū)動ADC始終是一種良好做法。由于采樣/保持電路通常放置在ADC輸入端，緩沖器提供必要的驅(qū)動，以便在可接受的時間內(nèi)為采樣/保持電容充電。要了解源阻抗必須有多低，請考慮對RC時間常數(shù)進(jìn)行簡單計(jì)算。輸入電容的充電根據(jù)

VCAP = VIN (1?e?t/CR),

其中C為采樣電容，R為源極電阻，V為源極電阻在是施加到RC電路的電壓。V之間的電壓差在和 V帽是：

VIN ?VCAP = VIN e?t/CR

因此，給定采樣和保持電容器的值（通常為10-30pF）、電容器的充電時間和可容忍的誤差電壓（1/2 LSB），可以計(jì)算出在給定時間內(nèi)為電容器充電的最大允許信號源電阻。

輸入緩沖器還可以用作濾波器，用于刪除不需要的信號。由于ADC是一個采樣系統(tǒng)，其輸出具有以采樣頻率一半為中心的頻譜對稱性。因此，大于采樣頻率一半的信號與小于采樣頻率一半的信號無法區(qū)分。例如，對于10kHz采樣頻率，ADC無法區(qū)分4kHz和6kHz輸入，因?yàn)閮烧叨际菍ΨQ的，大約是采樣頻率（5kHz）的一半。雖然對于本文的范圍來說過于詳細(xì)，但這種效應(yīng)（混疊）和描述它的定理（奈奎斯特定理）在許多論文和書籍中都有描述。

“抗混疊濾波器”可消除這些不需要的頻率。如果您考慮任何非純正弦信號的頻譜，混疊的影響可能會非常微妙。根據(jù)定義，非正弦波具有諧波，這些較高的諧波向下轉(zhuǎn)換以在較低頻率處引起誤差。同樣，除非輸入信號頻率范圍明確，否則組合緩沖器和抗混疊濾波器始終是良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐。

需要最少的濾波，因?yàn)橛袉栴}的系統(tǒng)只接受點(diǎn)讀數(shù)。對于更高的采樣頻率，使用元件C1、C2、C3和C4的簡單低通濾波器可在ADC輸入之前提供信號滾降。這些元件還用于平均ADC獲取的讀數(shù)，并有效消除輸入和輸出功率測量中的紋波。

數(shù)字化

MAX125為獨(dú)立的、同步采樣、逐次逼近的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有片內(nèi)RAM。它使用2x4采樣/保持放大器對兩組四個信號進(jìn)行采樣，然后由單個ADC模塊按順序數(shù)字化。結(jié)果存儲在RAM中，并在處理器控制下的并行數(shù)據(jù)總線上按順序讀出。

MAX125還包括一個電壓基準(zhǔn)，其無雜散動態(tài)范圍（SFDR）適用于許多高分辨率DSP應(yīng)用。（內(nèi)部基準(zhǔn)可由外部系統(tǒng)基準(zhǔn)覆蓋。MAX125還具有良好的INL（實(shí)際值與理論ADC輸出的最大偏差）、良好的DNL（實(shí)際值與理論ADC階躍幅度的偏差）和13位的單調(diào)性（輸出代碼隨著模擬輸入的增加而增加或保持不變）。為了高效利用微處理器，MAX125提供推挽中斷輸出，指示轉(zhuǎn)換何時完成。

內(nèi)部緩沖器允許使用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)。至于模擬輸入，基準(zhǔn)輸入應(yīng)由低阻抗源驅(qū)動。這尤其適用于采用逐次逼近寄存器（SAR）的ADC，因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓直接饋入DAC的R-2R梯形圖。隨著DAC輸入代碼的變化，基準(zhǔn)輸入的輸入阻抗也會發(fā)生變化，從而調(diào)制基準(zhǔn)電壓。幸運(yùn)的是，MAX125的內(nèi)部緩沖器消除了這個問題。

對于此設(shè)計(jì)，內(nèi)部基準(zhǔn)被外部， 精密、低壓差、低漂移的2.5V電壓基準(zhǔn)（MAX873A）。雖然MAX873A的使用（相對于內(nèi)部基準(zhǔn)）沒有明顯的結(jié)果變化，但具有更好的初始精度和漂移。

了解任何數(shù)字化系統(tǒng)所需的漂移規(guī)格（以ppm/°C為單位）非常簡單。首先，定義系統(tǒng)的工作溫度范圍。對于此應(yīng)用，假設(shè)正常的實(shí)驗(yàn)室溫度范圍為 30°C。 接下來，確定在溫度范圍內(nèi)可以容忍的最大漂移（以伏特為單位）（通常為 1/2 至 1 LSB），從而確定以 V/°C 為單位的漂移。 要將此漂移值歸一化為 ppm/°C，請除以基準(zhǔn)電壓并乘以 106.對于 2 位系統(tǒng)，結(jié)果通常約為 14ppm/°C，對于 10 位系統(tǒng)，結(jié)果通常約為 12ppm/°C，對于 30 位系統(tǒng)，結(jié)果通常約為 10ppm/°C。這些數(shù)字根據(jù)允許的溫度跨度和總基準(zhǔn)漂移而變化。

MAX125由Atmel AVR處理器（AT90S4414）驅(qū)動，兩款處理器的時鐘頻率（10MHz）來自振蕩器模塊。該程序是用匯編語言編寫的，只需一條指令即可切換每條數(shù)據(jù)線，以反映MAX125數(shù)據(jù)資料中的時序圖。為了便于理解，該程序被劃分為多個子例程，并且出于相同的目的對大多數(shù)行進(jìn)行了注釋。

啟動或上電復(fù)位時，MAX125采用雙向數(shù)據(jù)引腳D3-D0進(jìn)行配置。將這些引腳設(shè)置為0011，并將WR設(shè)置為低電平，設(shè)置ADC的工作模式，以接收來自MUX A所有四個通道的輸入。一旦建立，微處理器端口將重新配置為輸入，以從ADC接收數(shù)據(jù)。

當(dāng)CONVST脈沖為低電平時，處理器等待來自MAX125的中斷信號。然后讀出通道1的轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果（通過MAX3100 UART和MAX202E）發(fā)送到PC的RS-232端口。每個轉(zhuǎn)換包括16位數(shù)據(jù)，因此每個結(jié)果需要兩個RS-232寫入周期。由于ADC存儲來自通道2-4的轉(zhuǎn)換，因此傳輸RS-232數(shù)據(jù)所需的時間可以相當(dāng)悠閑。發(fā)送來自通道 1 的數(shù)據(jù)后，將對通道 2-4 重復(fù)此過程。

在微處理器總線（只有16條數(shù)據(jù)線的14位寬總線）的未使用數(shù)據(jù)引腳上注意到噪聲拾取。如果將這些未使用的引腳配置為輸入，則噪聲會忠實(shí)地偽裝成間歇性數(shù)據(jù)。然而，幸運(yùn)的是，一個簡單的軟件和功能可以濾除感應(yīng)噪聲，他們說數(shù)字濾波很難！或者，您可以將未使用的端口配置為輸出。

上述代碼運(yùn)行良好，但建立正確的電路性能可能很困難。來自μC的中斷脈沖來得快去得如此之快（在1μs內(nèi)），以至于只有存儲示波器才能檢測到它。如果沒有合適的示波器，您可以在 CONVST 線路設(shè)置為高電平后立即插入延遲例程，以便更悠閑地查看中斷信號。

電腦接口

微處理器與PC連接的關(guān)鍵元件是串行尋址UART（MAX3100）。它通過其4線SPI從微處理器獲取輸入?/Microwire bus3，并將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大多數(shù) RS-232 兼容設(shè)備使用的格式。采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微功耗2TX/2RX收發(fā)器（MAX202E）實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

該UART具有硬件和軟件關(guān)斷模式，采用微型QSOP封裝，非常適合低功耗便攜式設(shè)備。對于危險(xiǎn)環(huán)境，其接口還允許通過連接合適的光學(xué)設(shè)備進(jìn)行 IrDA 通信。其他特性（本應(yīng)用中不需要）包括接收緩沖器和中斷標(biāo)志，用于提供有關(guān)發(fā)送和接收寄存器的狀態(tài)信息。

實(shí)現(xiàn)基于軟件的SPI例程，用于將代碼導(dǎo)出到缺少內(nèi)置SPI總線的微處理器。代碼表明這是一項(xiàng)微不足道的任務(wù)，注釋會引導(dǎo)外行完成SPI總線的時鐘周期。如果使用專用SPI端口，值得注意的是，當(dāng)CS置位時，MAX3100的串行時鐘線（SCLK）必須以低電平狀態(tài)啟動。如果此要求出現(xiàn)問題，則應(yīng)在進(jìn)入 SPI 例程之前循環(huán) SCLK 線路。

請注意RS-232數(shù)據(jù)傳輸所需的時間。在 9600 波特時，將 232 位數(shù)據(jù)連同開始位和停止位一起傳輸需要一毫秒以上。事后看來，這是顯而易見的，但它可以給設(shè)計(jì)人員帶來數(shù)小時不應(yīng)有的享受，不僅想知道為什么數(shù)據(jù)沒有正確到達(dá)PC，而且還說明了微處理器和RS-10鏈路的運(yùn)行速度差異。在代碼中插入的簡單 232ms 延遲允許在 PC 端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理。另請注意，RS-3100規(guī)范沒有詳細(xì)說明信號協(xié)議（開始和停止位等）;僅提供電壓電平、壓擺率和連接器詳細(xì)信息。然而，MAX202和MAX232E處理所有標(biāo)準(zhǔn)，使數(shù)據(jù)符合RS-<>，并且符合PC預(yù)期的協(xié)議。

窗口界面?

Windows程序是用Visual Basic Version 6編寫的。它使用 MSComm 函數(shù)從 RS-232 端口獲取讀數(shù)，配置為接受文本，并將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 ASCII。它還將每個16位數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)換回從ADC輸入之前的模擬檢測電路獲得的電壓和電流測量值。根據(jù)這些結(jié)果，計(jì)算輸入功率、輸出功率和效率，并將其顯示在PC屏幕上，四舍五入到小數(shù)點(diǎn)后三位。此外，如果需要記錄結(jié)果，系統(tǒng)可以“凍結(jié)”結(jié)果。

測得的效率數(shù)據(jù)遠(yuǎn)非一致。這是通過注意到電流和電壓波形上的紋波來解釋的。4.7kΩ電阻用10nF電容旁路以降低電流紋波讀數(shù)，但電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)未旁路。因此，測得的紋波（輸入端20mV，輸出端100mV）導(dǎo)致效率測量變化±3%。

當(dāng)結(jié)果被讀入PC時，丟失的數(shù)據(jù)會在PC屏幕上產(chǎn)生不正確的讀數(shù)。因此，測量了到達(dá)數(shù)據(jù)包之間的時間間隔。如果任何間隔超過 0.5 秒，PC 計(jì)數(shù)器將重置，以預(yù)期后續(xù)數(shù)據(jù)包中的第一個字符。

結(jié)果

被測器件（DUT）是MAX1705，這是配置為PWM模式的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。對評估板施加負(fù)載，通過凍結(jié)MAX125 PC程序并從屏幕上讀取數(shù)值來獲取結(jié)果。然后使用（現(xiàn)已過時的）數(shù)字萬用表確認(rèn)結(jié)果，并與數(shù)據(jù)表中的圖表給出的預(yù)期效率進(jìn)行比較：

校準(zhǔn)、誤差和調(diào)整

盡管數(shù)字純粹主義者可能會有不同的論點(diǎn)，但模擬板布局必須無可挑剔才能獲得最佳電路性能。模擬IC的所有電源軌都應(yīng)較粗，并使用物理上靠近器件的電容器接地：至少1uF（鉭）與100nF（陶瓷）并聯(lián)。應(yīng)包括一個良好的接地層，特別是在MAX471周圍，因?yàn)楦哳l、高幅度電流占據(jù)了該區(qū)域。MAX4上的7.471kΩ電阻應(yīng)為低電感的精密類型，因?yàn)檫@些元件的任何容差都會直接影響結(jié)果。所有模擬PCB走線應(yīng)盡可能短，遠(yuǎn)離數(shù)字線。MAX125基準(zhǔn)放大器的輸入和輸出端應(yīng)去耦，靠近IC。理想情況下，該板應(yīng)包含單獨(dú)的模擬和數(shù)字接地層，連接在一個點(diǎn)上。

據(jù)觀察，10MHz時鐘出現(xiàn)在意想不到的地方，因此，如果要通過印刷電路板路由該信號，則應(yīng)在物理上遠(yuǎn)離模擬輸入，尤其是電阻網(wǎng)絡(luò)，并且中間有接地軌道。為了進(jìn)一步降低噪聲輻射，可以對該信號進(jìn)行濾波以消除時鐘諧波，并使用靠近處理器和ADC的簡單數(shù)字門進(jìn)行重構(gòu)。'74HC00 非常適合此目的。

要獲得絕對直流精度，應(yīng)考慮許多因素。例如，MAX873A基準(zhǔn)具有出色的漂移特性，但其初始精度（±1.5mV）在10位系統(tǒng)中誤差為±14LSB。該誤差可以通過在輸出微調(diào)引腳和地之間連接微調(diào)電位器來調(diào)整。建議在輸入和輸出電阻分壓器上切換基準(zhǔn)電壓，并將輸入信號讀取至ADC。通過此讀數(shù)，您可以確定電阻分壓器鏈中的誤差并實(shí)現(xiàn)軟件偏移。

為了精確校準(zhǔn)電流檢測放大器，必須在向輸入和輸出施加電流源時獲取ADC讀數(shù)，從而獲得電流放大器和輸出電阻中的誤差。該電流源應(yīng)設(shè)置為最小預(yù)期電流讀數(shù)，因?yàn)镸AX471在低電流時的主導(dǎo)誤差是由內(nèi)部運(yùn)算放大器貢獻(xiàn)的輸入失調(diào)電壓引起的。

結(jié)論

所討論的系統(tǒng)由一系列電路模塊構(gòu)建而成，每個模塊都經(jīng)過單獨(dú)測試。該設(shè)計(jì)程序消除了與系統(tǒng)初始上電相關(guān)的許多張力。所得結(jié)果與MAX1705數(shù)據(jù)資料所示的結(jié)果一致。有關(guān)本設(shè)計(jì)所用元件的更多詳細(xì)信息，請?jiān)L問ADI公司網(wǎng)站。網(wǎng)站上還提供 zip 文件 （A201code.zip） 的完整列表，其中包含 Atmel 微處理器 （MAX125.asm） 的匯編語言代碼，以及運(yùn)行 PC Windows 顯示器所需的 Visual Basic 6 程序模塊。

審核編輯：郭婷