基于串行總線的測量儀器模擬節(jié)點設計

0 引 言

智能測量儀器作為信息獲取工具，是一種集多個門類、多種學科技術于一體的復雜有機體。隨著測試技術、計算機技術和大規(guī)模集成電路技術的飛速發(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)、補償能力，必須首先對整個測量儀器工作狀態(tài)進行監(jiān)測，然后通過對這些節(jié)點的狀態(tài)進行分析和處理，從而進行進一步的故障定位或調(diào)節(jié)補償。這些狀態(tài)主要包括環(huán)境溫度以及電路板上各關鍵電路節(jié)點的電壓、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)點為模擬節(jié)點。可見，對智能測量儀器工作環(huán)境以及各關鍵節(jié)點模擬量的檢測是智能測量儀器內(nèi)建測試以及調(diào)節(jié)補償?shù)那疤岷突�礎，也是智能測量儀器可測性設計的重要一環(huán)，需要認真對待。

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

1 模擬節(jié)點信號監(jiān)測設計原理

典型的電路板模擬節(jié)點監(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、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入A／D轉(zhuǎn)換器之前首先進行的必要處理，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。多路開關是為了簡化電路和降低成本而保證多個模擬節(jié)點共用同一個A／D轉(zhuǎn)換器而設計，以方便通過軟件實現(xiàn)對某一路模擬艟的轉(zhuǎn)換。多路開關常用的有機械觸點式和電子式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、切換時間及穩(wěn)定時間、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。

當模擬節(jié)點輸入信號的頻率較高時，為減小A／D轉(zhuǎn)換的孔徑誤差常設計使用采樣／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則可以省略采樣保持器的設計。

A／D轉(zhuǎn)換器足模擬輸入通道的關鍵器件，用來將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便由處理器進行一系列的后續(xù)處理。A／D轉(zhuǎn)換器件種類很多，選擇時需綜合考慮分辨力、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度和功耗等指標。一般地，A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選取應根據(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)點信號監(jiān)測設計

現(xiàn)代測量儀器智能化程度和性能指標越來越高，越來越多地使用軟件進行性能指標的調(diào)節(jié)、校準和補償，同時越來越多地需要實時監(jiān)測整個儀器的工作狀態(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，一直是設計者不斷追求的目標�？梢�，基于并行總線的傳統(tǒng)模擬節(jié)點信號監(jiān)測設計思想已經(jīng)不能滿足需要。

隨著串行總線接口技術的誕生和不斷成熟，其簡單的接口、較高的數(shù)據(jù)傳輸效率、靈活的互聯(lián)方式以及其可擴展性能力使得在電子領域及測試領域得到迅速推廣和應用。與并行接口相比，串行接口減少了引腳數(shù)目，降低了接口沒計的復雜性，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)點電路設計如圖2所示。

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

為此，在設計中往往根據(jù)模擬節(jié)點的數(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的模擬輸入通道并控制相應串行設備的工作。此外，在具體的設計中，往往還可以利用串行總線進行一些輔助電路設計：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，實現(xiàn)對電路板相關電路的校準與補償；設計掛接一些串行E2PROM存儲器，用來存儲相關通道的校準與補償參數(shù)，等等。如圖3所示。