高性能数据采集系统的建立

　　一个数据采集系统的复杂程度可能不亚于与中心计算机连接的分布式传感器网络，也可能简单到仅是一个在仪表上显示测量数据的传感器。对于每种系统，都须评估和权衡其成本/效益。单从成本角度考虑，可能会倾向于简单的解决方案，但仍须考虑其它一些因素。

　　系统要求

　　对于基本系统，其要求是按照性能和成本的比较逐一确定的。系统必须是16位以上，能处理2.5V的差分输入，而且在没有单5VDC电源的情况下也能工作，成本必须控制在10美元以内。性能和成本的要求往往是矛盾的，但只要稍微发挥一点创造力就可满足其要求，甚至做得更好：即在不增加最终材料成本的基础上把决策功能集成进传感器电路中。通过对测量值和预定范围内的值进行比较，并标识出超出范围的状态，就可以增加这项复杂的功能。

　　这类数据采集（DA）系统的基本构建模块是模拟转换和处理功能。该系统的最简单形式包括：一个ADC处理传感器输入转换，一个微控制器处理数据。现今的ADC和微控制器性能比以前已有极大的改进。这些改进使得上述系统的集成得以实现，但也付出了代价，因为在提高性能的同时也增加了集成这两种功能的复杂程度。只有开发出真正集成的单芯片系统方案，这一问题才能解决。本文所阐述的就是一个低成本、高性能的DA系统，它能充分利用每个器件的特性。

　　灵活的器件特性

　　系统的核心是一个ADC，即Burr-Brown的24位Δ-Σ转换器ADS1212，以及Microchip Technology的微控制器PIC16C54C。

　　Δ-Σ ADC可提供很多传感器应用所需的高分辨率和良好线性度。有效分辨率可以直接从转换器的输出数据测出，以位数的均方根值表示。如果噪声为白电平，须从有效值中减去2.7位以便转换成峰-峰值或无波动位值。

　　为达到最佳分辨率，器件应该以最高器件频率和最低数据输出率工作。器件频率和加速模式速率（turbo mode rate）控制着调制器采样频率（加速模式可设定调制器频率）。抽样（decimation）率可控制数据输出率。如果转换器工作在2.5MHz，加速模式为16，数据输出率为100Hz，则有效分辨率约为22有效位，转换成无波动位值约为19.3位。如果器件频率降到1MHz，加速模式为16，数据输出率为100Hz，则分辨率下降到21有效位，无波动位值约为18.3位。事实上，在低频率下工作会更好一些，这样可以降低系统功耗和开关噪声。

　　具有了这种灵活性，就可以确定能满足系统要求的器件频率。同时，为了提高或降低有效分辨率，还可以通过软件在数据输出率和加速模式速率间进行折衷。另外，ADS1212可进行内部自校准以消除元件引入的误差，从而提高了有效分辨率。利用系统校准可修正系统偏移和增益误差。

　　其它要求

　　对2.5V的差分输入信号，要求4阶增益，因此须用到板上可编程增益放大器（PGA）。应当注意加速模式速率和PGA的乘积不得超过16。在这种场合下，将PGA限定为4，加速模式速率也限定为4。ADS1212中的数字滤波器是一个sinc▲3▲低通滤波器，其-3dB截止频率等于0.262×数据速率。因为输入信号是DC信号，所以信号的频率响应下降不是问题。可以在输入端加一个反偏（anti-aliasing）低通滤波器以隔离ADC和缓冲器。

　　转换器的输入阻抗决定于PGA、加速模式数和器件频率，并由下式给出：

　　AIN=［（1MHz/F▼XIN▼）*20▲6▲/（PGA*TMR）］ （1）

　　其中：TMR=加速模式速率

　　因此，输入阻抗为1.2MΩ，这对大多数传感器应用已经足够。

　　器件内部参考可提供约20有效位，所以内部参考电压可以满足系统的要求。

　　进一步规范了模拟要求之后，现在来看看模拟部分和数字部分是怎样结合在一起的。在这一方面微控制器的几个重要特性起了重要作用。

　　器件运行时功耗很小，通常工作电流小于2mA。为进一步降低功耗，微控制器和ADC都带有休眠模式（sleep mode）。在极低功耗的应用中，转换器甚至可通过微控制器的I/O引脚供电。比如，微控制器可以停止给转换器供电并进入休眠状态。因此唯一的电流就是微控制器的待机（standby）电流，从而降低了功耗且延长了电池寿命。

　　微控制器所需的时

　　钟可以从一个简单的RC电路获取。这个时钟在CLKOUT引脚输出，可以用来驱动转换器的XIN。这样不仅节省了两个单独的晶振，而且保证了微控制器与时钟同步。但有一点需特别注意，如果用简单的RC电路来做系统时钟，那么其频率将随电压和温度的改变而变化。这不算什么问题，除非需要滤除工频干扰，况且也可以用ADS1212的关键特性之一加以解决。

　　转换器中的数字滤波器可根据Δ-Σ调制器的最近结果来计算输出值。所用的调制器结果数取决于指令寄存器中抽样率的设置。