基于串行總線的測量儀器模擬節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

0 引 言

智能測量儀器作為信息獲取工具，是一種集多個(gè)門類、多種學(xué)科技術(shù)于一體的復(fù)雜有機(jī)體。隨著測試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代智能測量儀器不但對功能、性能、精度和指標(biāo)的要求越來越高，而且對系統(tǒng)可靠性、可維修性的要求也越來越高。因此，這就要求測量儀器具有完備的內(nèi)建測試(build intest，BIT)功能以及自我調(diào)節(jié)和補(bǔ)償能力，以使測量儀器系統(tǒng)本身具備測試、診斷和故障定位的能力以及適應(yīng)各種環(huán)境、溫度和器部件性能變化的能力。

但是，智能測量儀器要具備這些測試、診斷以及調(diào)節(jié)、補(bǔ)償能力，必須首先對整個(gè)測量儀器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，然后通過對這些節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行分析和處理，從而進(jìn)行進(jìn)一步的故障定位或調(diào)節(jié)補(bǔ)償。這些狀態(tài)主要包括環(huán)境溫度以及電路板上各關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、功率等，由于都是模擬量，故常稱這些分布在電路板上的觀測節(jié)點(diǎn)為模擬節(jié)點(diǎn)�？梢�，對智能測量儀器工作環(huán)境以及各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模擬量的檢測是智能測量儀器內(nèi)建測試以及調(diào)節(jié)補(bǔ)償?shù)那疤岷突�礎(chǔ)，也是智能測量儀器可測性設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，需要認(rèn)真對待。

下面介紹一種基于串行總線的智能測量儀器模擬節(jié)點(diǎn)信號監(jiān)測電路的沒計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。

1 模擬節(jié)點(diǎn)信號監(jiān)測設(shè)計(jì)原理

典型的電路板模擬節(jié)點(diǎn)監(jiān)測電路通常由信號檢測通道、信號調(diào)理電路、多路選擇開關(guān)、采樣／保持電路、A／D轉(zhuǎn)換電路以及處理器接口和控制邏輯等構(gòu)成，如圖1所示。

信號檢測通道主要用來探測電路板上各探測點(diǎn)的溫度、電流、電壓等模擬量，通常針對不同探測對象而使用不同的傳感器、檢波器或相關(guān)電路將待檢測信號轉(zhuǎn)換成一定的電流或電壓信號。

信號調(diào)理電路是為了保證A／D轉(zhuǎn)換的精度而在模擬輸入信號進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器之前首先進(jìn)行的必要處理，以有效濾除不需要信號的影響，改善信號質(zhì)量，提高信噪比，增強(qiáng)信號的抗下擾能力，保證輸入信號符合A／D轉(zhuǎn)換器并處于其最佳轉(zhuǎn)換范同。信號調(diào)理所采用的技術(shù)通常包括增謐放大、衰減、濾波、整流、檢波信號轉(zhuǎn)換等。多路開關(guān)是為了簡化電路和降低成本而保證多個(gè)模擬節(jié)點(diǎn)共用同一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)，以方便通過軟件實(shí)現(xiàn)對某一路模擬艟的轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)常用的有機(jī)械觸點(diǎn)式和電子式2種，通常需要根據(jù)通道數(shù)目、輸入方式(單端還是差分輸入)、電平高低、切換時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間、通路問所允許的最大串繞誤差以及控制方式等加以綜合考慮選擇。

當(dāng)模擬節(jié)點(diǎn)輸入信號的頻率較高時(shí)，為減小A／D轉(zhuǎn)換的孔徑誤差常設(shè)計(jì)使用采樣／保持電路。采樣保持器通常根據(jù)輸入信號范圍、輸入信號變化率、采樣開關(guān)切換速度以及采樣誤差的允許范圍等選擇。如果輸入模擬信號頻率較低，A／D轉(zhuǎn)換相對足夠快或A／D集成了采樣保持器時(shí)則可以省略采樣保持器的設(shè)計(jì)。

A／D轉(zhuǎn)換器足模擬輸入通道的關(guān)鍵器件，用來將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便由處理器進(jìn)行一系列的后續(xù)處理。A／D轉(zhuǎn)換器件種類很多，選擇時(shí)需綜合考慮分辨力、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度和功耗等指標(biāo)。一般地，A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選取應(yīng)根據(jù)被測電路的模擬輸入信號的變化范圍和A／D轉(zhuǎn)換器量化誤差及量化噪聲等綜合考慮。

2 基于串行總線的模擬節(jié)點(diǎn)信號監(jiān)測設(shè)計(jì)

現(xiàn)代測量儀器智能化程度和性能指標(biāo)越來越高，越來越多地使用軟件進(jìn)行性能指標(biāo)的調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)和補(bǔ)償，同時(shí)越來越多地需要實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)儀器的工作狀態(tài)，以提高系統(tǒng)的町靠性，故對模擬節(jié)點(diǎn)數(shù)量需求越來越大。此外，現(xiàn)代智能測量儀器正迅速向低功耗、低成本、小體積、高性能、高速率方向發(fā)展，電路集成度越來越大，成本越來越低，尺寸越來越小，頻率也越來越高。作為測量儀器的輔助支撐電路，如何在滿足功能和性能的前提下盡可能減少電路板面積占用、減小對其他電路的電磁干擾等影響，一直是設(shè)計(jì)者不斷追求的目標(biāo)�？梢姡�基于并行總線的傳統(tǒng)模擬節(jié)點(diǎn)信號監(jiān)測設(shè)計(jì)思想已經(jīng)不能滿足需要。

隨著串行總線接口技術(shù)的誕生和不斷成熟，其簡單的接口、較高的數(shù)據(jù)傳輸效率、靈活的互聯(lián)方式以及其可擴(kuò)展性能力使得在電子領(lǐng)域及測試領(lǐng)域得到迅速推廣和應(yīng)用。與并行接口相比，串行接口減少了引腳數(shù)目，降低了接口沒計(jì)的復(fù)雜性，減小了電磁輻射和體積。

串行接口通常提供全雙工同步操作，數(shù)據(jù)以位為單位進(jìn)行串行輸入輸出。各元器件生產(chǎn)廠家紛紛推出了基于串行總線的器件，越來越多的處理器也開始集成相應(yīng)的串行通信接口，并兼容一些流行的串行總線。因此，在精度、速度、分辯力等指標(biāo)許可的前提下，選擇多通道以及具有采樣保持器串行ADC以及其他串行器件搭建基于串行總線的測量儀器模擬節(jié)點(diǎn)方案無疑是一種理想的選擇�；�于這種串行總線的模擬節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

在智能測量儀器中，模擬節(jié)點(diǎn)通常分布于儀器的各個(gè)電路板和功能模塊，而每塊電路板和功能模塊又可能包括多個(gè)模擬探測節(jié)點(diǎn)。

為此，在設(shè)計(jì)中往往根據(jù)模擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)量選擇使用一片或多片多通道串行A／D芯片(如AD公司的AD7812等)構(gòu)成每塊電路板或功能模塊的模擬輸入通道，而不同電路板或功能模塊上的串行設(shè)備均掛接在同一串行總線上，由處理器通過控制總線及譯碼邏輯來選擇相應(yīng)的模擬輸入通道并控制相應(yīng)串行設(shè)備的工作。此外，在具體的設(shè)計(jì)中，往往還可以利用串行總線進(jìn)行一些輔助電路設(shè)計(jì)：如利用一些串行D／A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成模擬輸出通道，以根據(jù)需要產(chǎn)生合適的模擬信號，實(shí)現(xiàn)對電路板相關(guān)電路的校準(zhǔn)與補(bǔ)償；設(shè)計(jì)掛接一些串行E2PROM存儲器，用來存儲相關(guān)通道的校準(zhǔn)與補(bǔ)償參數(shù)，等等。如圖3所示。