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在實際的電路應用中,模擬信號的采集是一個重要環節。工業控制一般需要采集各種現場參數(如溫度､壓力､流量等),并對這些參數進行處理｡往往比較難處理的是信號采集部分｡隨著微電子技術的發展,數字信號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據采集到微處理器中｡ 在許多嵌入式設計中,微控制器或者數字信號處理器需要處理若干個模擬信號才能完成一種控制功能或者一系列控制任務｡這些模擬信號往往需要先經過某種處理(例如濾波､緩沖､或者放大),然后處理器才能精確地對它們進行轉換,至少要把信號放大到系統能夠使用的電平｡因此,選擇合適的元器件將會對電路的設計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,從而可以協助用戶有效地提升系統的數碼仿真控制效能｡新器件專供各種工業和儀器市場以及信號和傳感處理領域使用｡新款MCP6S2x系列器件除可提供放大器功能外,還可為系統設計提供數碼控制效能,用戶可在SPI總線上對系統進行編程,并可通過有效控制增益和選擇輸入信道來得到更大的設計靈活性｡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省機板空間｡ 1 MCP6S2X芯片的功能和參數 Microchip Technology公司的MCP6S21/2/6/8 是模擬增益可編程運放(PGA)芯片｡該芯片的增益可設置為+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,以擴大微控制器的仿真輸入范圍,同時可減少對輸入/輸出管腳數量的需求,從而降低微控制器的成本｡此外,單一信號路徑的多重信道還可協助系統進行仿真信號路徑的校準,以提高時間和溫度的準確度｡該器件寬廣的頻帶特別適用于以較低電流運行的放大器,并可減少產品對電源功率的需求｡ 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 電源負端 VDD 電源正端 SCK SPI時鐘輸入 SI SPI串行數據輸入 SO SPI串行數據輸出 CS SPI片選 VREF 外部參考電壓 1.2 特性參數 ●輸入通道數: 1､2､6或8個通道可選; ●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); ●穩定時間: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芯片的內部結構圖(其它類似)如圖2所示｡由圖可見,MCP6S2X芯片內部由一些簡單的功能模塊構成,可共同完成多路選擇､可變增益調節等功能｡MCP6S2X具有多路選擇輸入(MUX)模塊,共有八路輸入,可由軟件設置通道選擇｡不用的輸入引腳應懸空,以使輸入電流最小｡當然,接VDD或VSS時,芯片也能正常工作?但輸入電流會變大｡ 內部運放部分主要由運放､增益轉換器､梯形電阻(RLAD=RF+RG)等組成,可完成信號的放大和帶寬選擇,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､同步時鐘､串行輸入輸出､上電復位､控制指令和數據讀寫以完成通路選擇和增益控制等功能｡上電復位電路POR(Power-On Reset)的功能是:當電源電壓低于POR的限定電壓時?VDD 3 幾種多路采集電路的比較 在傳統的電路設計中,每個模擬信號需用一個運算放大器進行電壓調節和阻抗匹配,然后送到處理電路(參見圖3)｡這樣,在處理4路模擬信號的傳統設計中,最少需要4個運算放大器､8個電阻､并需占用處理器4個I/O引腳(片內含采樣保持A/D轉換)｡ 為了克服傳統設計的缺點,可采用多路復用方式,這是目前最常用的方式｡但應注意,很多信號并不需要連續不斷地測量,所以可使用非同時進行采樣的方案｡在需要使用高性能運算放大器的設計中,如果采用非同時進行采樣的方案,則可用一個運算放大器,然后在它前面接一個多路復用器(MUX),再通過它把幾路模擬信號接到一個共用的放大器上｡這樣,多路復用器就會按照處理要求,把各路模擬信號接到運放上去｡其實現方案如圖4所示｡ 使用多路復用器可以減輕傳統系統設計中存在的問題｡它可將占用的處理器I/O減少到一個,所有需要放大的信號只需要用一只高性能的運算放大器即可｡ 該方案由于減少了元件的數量,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,該方案也需要增加某些元件的成本和數量｡有些比較新的器件看起來較為經濟有效,但是控制起來并不容易,所以并不適合現代嵌入式控制系統使用｡為了控制增益或選擇信號,這些器件在接到處理器上時,同樣需要使用較多的I/O引腳｡因此,這種系統所用器件比較多,不利于進一步提高集成度,而且易受干擾｡ 對于上述情況,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的系統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接到處理器,同時也可以改變放大器的增益｡這樣,就有可能改變每一路信號的增益,而且可以在處理信號的同時改變增益｡如果系統發現信號太弱,處理器就可以增大這個信號的增益｡當信號達到較高的電平時,處理器則可以降低增益｡圖5是采用MCP6S2x系列器件進行設計的方案示意圖｡ 4 應用電路 圖6為MCP6S2X系列芯片的應用硬件連接圖?筆者在設計“工藝對象仿真裝置”數據采集板時?項目要求對加熱爐對象進行仿真?該對象為多輸入多輸出對象,它不僅需要輸入溫度､壓力等參數,也要有擾動信號(隨機干擾和確定性干擾)｡該對象的多個輸入參數被采集到單片機中后,單片機將根據該對象的傳遞函數進行處理或通過串口將數據傳到計算機中進行處理?并最后輸出仿真結果｡ 本設計采用6通道的MCP6S26來進行,因為AT89C52單片機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,應使用軟件模擬三線制串行總線來操作,包括串行時鐘､數據輸入和數據輸出｡因此,可用P1.7來模擬片選端CS,P1.4模擬時鐘輸入端SCK,P1.6模擬數據輸入端SI,P1.5模擬數據輸出端SO｡為節約單片機的I/O口,設計中還選用了串行總線(I2C總線)A/D轉換芯片TLC0832｡ 對MCP6S26進行操作的控制字節和數據字節均從SI引腳輸入,并在寫入數據的串行時鐘(SCK)上升沿被鎖存｡從芯片讀取的數據則從SO引腳串行移出,并在串行時鐘的下降沿輸出｡整個數據交換期間,CS必須保持低電平｡ 5 結論 MCP6S2X增益可編程放大器特別適用于多路信號采集電路的設計,因而可廣泛應用于A/D轉換驅動控制､數據采集､測試設備､多路傳輸模擬應用､工業以及醫療儀器等方面｡由于處理器是通過軟件對模擬信號電路進行控制,所以其適應性和靈活性很高｡采用MCP6S2X增益可編程放大器時,原來需要較多元件的設計現在僅需一個元件即可,因此可以大大簡化以前復雜的電路設計,提高工作效率｡ |
