江耿豐，張興國(guó)，馮 丹

(北京控制工程研究所，北京100190)

多通道模擬量采集電路設(shè)計(jì)探討*

江耿豐，張興國(guó)，馮 丹

(北京控制工程研究所，北京100190)

介紹衛(wèi)星使用的多通道模擬量采集電路的工作原理，重點(diǎn)闡述多通道模擬量采集電路設(shè)計(jì)中的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，包括防串電設(shè)計(jì)、放大一致性設(shè)計(jì)和通道信息采集時(shí)間設(shè)計(jì).通過(guò)對(duì)3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的分析和論證，給出了提高多通道模擬量采集電路性能的途徑.

模擬量采集;一致性;通道切換

0 引 言

模擬量采集電路是衛(wèi)星電子線路中廣泛使用的一種功能電路，為了減少產(chǎn)品的體積和成本，在電路設(shè)計(jì)時(shí)通常采用共用信號(hào)放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方案.如某衛(wèi)星中心管理單元使用自動(dòng)順序采集電路實(shí)現(xiàn)了70路模擬量的順序采集.設(shè)計(jì)實(shí)踐表明:防串電設(shè)計(jì)、放大一致性設(shè)計(jì)和通道切換等待時(shí)間設(shè)計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)化多通道模擬量采集電路需特別注意的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn).若不注意把握此3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，產(chǎn)品易出現(xiàn)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，如某衛(wèi)星驅(qū)動(dòng)控制單元在研制過(guò)程中遇到模擬量通道串電問(wèn)題，又如某衛(wèi)星控制計(jì)算機(jī)在研制過(guò)程中遇到通道切換后信號(hào)建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題等.

本文將首先介紹多通道模擬量采集電路的工作原理，然后就接口防串電設(shè)計(jì)、放大倍數(shù)一致性設(shè)計(jì)、切換時(shí)間設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，總結(jié)得出提高標(biāo)準(zhǔn)化多通道模擬量采集電路性能的途徑.

1 模擬量采集電路原理

模擬信號(hào)的采集形式一般分為單端采集和雙端采集兩種［1］.本文以單端采集電路為例進(jìn)行說(shuō)明.采集多路模擬信號(hào)時(shí)，一般用多路模擬開(kāi)關(guān)巡回檢測(cè)的方式.利用多路開(kāi)關(guān)(MUX)讓多個(gè)被測(cè)對(duì)象共用信號(hào)放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路.當(dāng)采集高速信號(hào)時(shí)，模－數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器前段還需加采樣/保持(S/H)電路.通常希望輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)能接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程以保證轉(zhuǎn)換精度，因此在模擬量輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器之間應(yīng)接入放大器以滿足要求.

在衛(wèi)星電子系統(tǒng)中，模擬量通常是緩變量，可不必額外設(shè)計(jì)采樣/保持(S/H)電路.按照上述原理設(shè)計(jì)的多通道模擬量采集電路功能框圖如圖1所示.電路在工作時(shí)，多路開(kāi)關(guān)依次選通各個(gè)模擬量通道，放大后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字量供軟件獲取.

圖1 多通道模擬量采集電路功能框圖Fig.1 Functional block diagram of multi-analog signals acquisition circuit

2 防串電設(shè)計(jì)

出于可靠性的考慮，衛(wèi)星電子設(shè)備通常采用冷備份的設(shè)計(jì)方案，模擬量采集電路亦不例外.對(duì)于一接二的模擬量采集電路，存在未加電單機(jī)被信號(hào)輸出方串電的可能性.

例如圖1中的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)在部件內(nèi)部，或者電路設(shè)計(jì)未包含信號(hào)調(diào)理部分，那么存在如圖2所示的一種典型的串電通路.

圖2 串電通路示意圖Fig.2 Schematic diagram of collude-current

串電的潛通路是多路開(kāi)關(guān)的保護(hù)二極管網(wǎng)絡(luò)［2］.串電可能使電子設(shè)備處于非正常工作狀態(tài)，必須加以抑制.防串電設(shè)計(jì)通常采用限流和反串二極管兩種方式實(shí)現(xiàn).

限流方法是在模擬量信號(hào)進(jìn)多路開(kāi)關(guān)之前串聯(lián)一個(gè)合適阻值的電阻.假設(shè)單板靜態(tài)阻抗為R0，輸入串聯(lián)電阻為R1，輸入模擬量為Ui，輸入信號(hào)源內(nèi)阻為R2，忽略其他影響，則串電電壓

實(shí)際接入模擬量采集電路輸入端的電壓

式(1)中忽略了多路開(kāi)關(guān)內(nèi)阻的影響，通常R0比較小，增大串聯(lián)電阻R1，可有效減少串電電壓.但由式(2)可知，如果信號(hào)內(nèi)阻R2相對(duì)于R1不可忽略，采用串接電阻限流的方法會(huì)造成模擬量信號(hào)采集誤差.

防串電的另一種常用方法是在多路開(kāi)關(guān)電源端反向串二極管.但此法僅適用于輸入端和電源端之間存在潛通路的多路開(kāi)關(guān)電路.如果采集接口使用的多路開(kāi)關(guān)器件存在其他通路，靠反串二極管和限流的防串電設(shè)計(jì)將復(fù)雜度將成倍提高.

圖2中若多路開(kāi)關(guān)為無(wú)防串電特性的16選1多路開(kāi)關(guān)HI-506，在R1=1 kΩ，輸入5 V信號(hào)的情況下，通?？稍谖醇与妴螜C(jī)測(cè)得存在1.5 V以上串電電壓.將R1調(diào)整100 kΩ，并在多路開(kāi)關(guān)電源端反串二極管之后，串電電壓可控制在0.3 V以下.

綜上所述，多通道模擬量采集電路防串電設(shè)計(jì)需注意選擇無(wú)串電潛通路的多路開(kāi)關(guān)芯片，如intersil公司的HS-1840ARH等.如必須使用有圖2中所示串電潛通路的多路開(kāi)關(guān)，則首先應(yīng)考慮控制模擬量信號(hào)源的內(nèi)阻，再考慮采用電阻串聯(lián)和反串二極管的設(shè)計(jì)方法.

3 放大倍數(shù)一致性設(shè)計(jì)

模擬量采集電路的放大部分通常采用運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)，為了減少運(yùn)放對(duì)電路的影響，電路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮選用輸入失調(diào)電壓小、溫漂小、輸入阻抗高、轉(zhuǎn)換速率快的運(yùn)算放大器.通常設(shè)計(jì)時(shí)前級(jí)采用同相放大器，可以獲得很高的輸入阻抗，后級(jí)采用差分放大器，可以獲得較高的共模抑制比.

一個(gè)多通道模擬量采集電路應(yīng)爭(zhēng)取不同工作環(huán)境、不同通道下放大倍數(shù)的一致性［3-4］.由于共用一個(gè)放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，此部分功能電路對(duì)不同通道的影響是一致的，而多路開(kāi)關(guān)芯片由于不同通道之間特性不一致，會(huì)對(duì)不同通道放大倍數(shù)的一致性帶來(lái)影響.

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的分析難度，假設(shè)模擬量通道的放大電路是反向放大形式，單個(gè)模擬量采集電路可簡(jiǎn)化為如圖3所示.

圖3 單個(gè)通道放大電路簡(jiǎn)化圖Fig.3 Simplified diagram of a single channel amplifying circuit

圖3電路的放大倍數(shù)

式(3)中，Ro表示多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻，R5=R1+R2.

在式(3)中分別對(duì)各參數(shù)求導(dǎo)，可得

式(4)～(6)說(shuō)明了圖4中所示模擬量采集電路放大倍數(shù)A的變化量ΔA與電阻R3、R5和多路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻Ro之間的關(guān)系.如果A減小，R3、R5增大，ΔA會(huì)減小.故在元器件以及電路形式已選定的前提下，為了減少不同工況對(duì)放大電路一致性的影響，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)放大倍數(shù)A較小的放大電路，再選用較大阻值的電阻(如R3、R5)設(shè)計(jì)放大電路.

將式(4)和(5)再做變換得到

ΔA/A表示放大倍數(shù)的相對(duì)變化程度，式(7)、(8)衡量了電阻不穩(wěn)定性ΔR5/R5和多路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻不穩(wěn)定性ΔRo/Ro對(duì)放大倍數(shù)不穩(wěn)定性的影響.以溫度影響為例，電阻阻值穩(wěn)定性要遠(yuǎn)優(yōu)于多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻穩(wěn)定性［4-5］.故在電路設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮適當(dāng)選擇R5＞Ro，減少多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻穩(wěn)定性對(duì)放大電路放大倍數(shù)一致性的影響.

如圖3中的放大電路設(shè)計(jì)目標(biāo)是2倍放大，選擇R3=20 kΩ，R5=10 kΩ和R3=200 kΩ，R5= 100 kΩ兩種組合，Ro在10 Ω至1 kΩ之間變化，兩種組合狀態(tài)下放大倍數(shù)分別是1.818～1.998和1.98～1.999 8，第二組合結(jié)果明顯優(yōu)于第一組合.

4 信號(hào)采集時(shí)間設(shè)計(jì)

多通道模擬量采集電路要求每次通道切換后，等待一定的時(shí)間，再讀取AD變換后的數(shù)值.

假設(shè)等待時(shí)間為t，則要求

其中，t0表示模－數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間;t1表示多路開(kāi)關(guān)的傳遞時(shí)間;t2表示放大電路的信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間.

t0、t1由芯片本身決定，不受電路設(shè)計(jì)影響，t2取決于放大電路實(shí)際設(shè)計(jì)狀態(tài)，可通過(guò)設(shè)計(jì)控制.下面探討決定t2的相關(guān)因素.

假設(shè)放大電路設(shè)計(jì)為一階低通放大的形式，如圖3所示，運(yùn)算放大器直流放大倍數(shù)為A0，上限頻率f0，輸入信號(hào)Ui(t)，輸出信號(hào)Uo(t)，則輸入輸出之間的傳遞函數(shù)

上式中的t即為式(8)中的t2.

式(10)表明放大電路在輸入發(fā)生跳變后，信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間t取決于3個(gè)參數(shù):(1)上限頻率f0;(2)跳變前電壓U1;(3)跳變后電壓U2.

第一項(xiàng)參數(shù)由電路確定，f0越大，等待時(shí)間越小.運(yùn)算放大器一般均有固定的增益帶寬積，可描述為Af0，A為放大電路放大倍數(shù).減少放大倍數(shù)A，可減少等待時(shí)間.

第二、三項(xiàng)參數(shù)決定于外部輸入，可以描述為輸入信號(hào)變化幅度越大，需等待時(shí)間越長(zhǎng).圖4給出了某電路在8.10 V輸入階躍信號(hào)和10.2 V輸入階躍信號(hào)下由示波器獲取的輸出波形.在8.1 V輸入下上升時(shí)間要明顯小于10.2 V輸入條件下.

圖4 不同輸入幅度下切換波形比較Fig.4 Comparison of switching waveforms under different input amplitude

衛(wèi)星電子線路在軌工作時(shí)可能需要采集幾十路模擬量信號(hào)，過(guò)長(zhǎng)的通道切換等待時(shí)間會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成影響.在設(shè)計(jì)和使用多通道模擬量采集電路時(shí)，應(yīng)注意減少放大電路的放大倍數(shù)(必要時(shí)可分為多級(jí)放大設(shè)計(jì))，同時(shí)應(yīng)注意通道切換前后的電壓變化值，以減少通道等待時(shí)間.

5 結(jié) 論

多通道模擬量采集電路是衛(wèi)星普遍使用的一種電子線路.本文通過(guò)分析多通道模擬量采集電路的工作原理，說(shuō)明防串電設(shè)計(jì)、放大倍數(shù)一致性設(shè)計(jì)以及通道切換等待時(shí)間設(shè)計(jì)的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)注意的相關(guān)因素.本文分析與實(shí)驗(yàn)的結(jié)論表明通過(guò)控制電路中放大倍數(shù)設(shè)計(jì)、控制多路開(kāi)關(guān)和運(yùn)算放大器的選擇、控制電阻電容參數(shù)的選擇，可有效提高多通道模擬量采集電路的性能.

［1］王林濤.載人航天器浮地信號(hào)采集接口電路研究［J］.航天器環(huán)境工程，2011，28(6):545-550.WANG L T.Interface circuit for float grounding signal acquisition in manned spacecraft［J］.Spacecraft Environment Engineering，2011，28(6):545-550.

［2］朱正涌.半導(dǎo)體集成電路［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［3］童詩(shī)白，華成英.模擬量電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.3版.北京:高等教育出版社，2003.

［4］中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 1432B—2009有可靠性指標(biāo)的片式膜固定電阻器總規(guī)范［S］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2009.

［5］Standard Microcircuit drawing.5962-95630 Microcircuit，linear，radiation hardened，single 16-channel analog mux/demux with overvoltage protection，monolithic silicon［S］.Columbus，Ohio:Defense supply center columbus，2006.

Discussion of Multi-Analog Signals Acquisition Circuit Design

JIANG Gengfeng，ZHANG Xingguo，F(xiàn)ENG Dan
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

The multi-analog signals acquisition circuit being used in satellite is introduced.Then three key factors in design，including anti-current collude，amplify consistency and signal sample time are introduced.The conclusion can be used as a reference for the design of multi-analog acquisition circuit.

analog signals acquisition;consistency;channel switch

TN9

:A

:1674-1579(2016)01-0048-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.01.009

江耿豐(1982—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾禽d計(jì)算機(jī)總線技術(shù);張興國(guó)(1978—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾禽d計(jì)算機(jī)及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì);馮 丹(1983—)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾禽d計(jì)算機(jī)及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì).

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61502031).

2015-05-13