数据采集

贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起备货Analog Devices的ADAQ23875 µModule®数据采集解决方案 (DAQ)。

系统架构师和电路硬件设计人员针对最终应用（如测试和测量、工业自动化、医疗健康或航空航天和防务）需求，往往要耗费大量研发(R&D)资源来开发高性能、分立式精密线性信号链模块，以实现测量和保护、调节和采集或合成和驱动，本文将重点讨论精密数据采集子系统。

<p>专注于引入新品并提供海量库存的电子元器件分销商贸泽电子 (<a href="https://www.mouser.com/">Mouser Electronics</a>) 即日起备货<a href="https://www.mouser.com/manufacturer/analog-devices/">Analog Devices</a> <a href="https://www.mouser.com/new/analog-devices/adi-ltc6228-high-speed-operat… href=&qu

整个信号链累积起来并且最终会影响到转换器的误差有多重。

但请记住，转换器是信号链的瓶颈，最终决定着信号的表示精度。因此，转换器的选择是设定系统整体要求的关键。

<strong>在信号链中，可能会累积的误差有两类——即直流和交流误差。</strong>

直流或静态误差（如增益和失调误差）有助于了解信号链的精度或灵敏度；

交流类误差也称为噪声和失真，限制着系统的性 能和动态范围。

这两类误差都需要了解，因为二者最终决定着系统的分辨率。本文将专门分析直流误差，根据其与无源和有源器件的关系， 对每种不精确性进行细分。

<strong>分析误差前，先对信号链分个级</strong>

图 1 是一种可以达到 0.1% 精度要求的简单数据采集系统，也就是说，每输入 1V 的电压，输出要么为 0.99388V，要么为 1.00612V。因此，转换器规定的动态范围为 60dB 或 9.67ENOB，假设其满量程电压为 10 V。转换器有两个放大器级、一个多路复用器和一个 ADC。本分析将忽略传感器、电缆、连接器、PCB 寄生电容和任何外部影响/误差，因为这些情况在很大程度上取决于我们要测量的具体应用或信号。

使用MCU的系统设计人员受益于摩尔定律，即通过更小封装、更低成本获得更多的丰富特性功能。嵌入式系统设计人员和MCU厂商关心数据采集系统的三个基本功能：捕获、计算和通信。理解全部功能对设计大有帮助，本文将主要关注数据采集系统的捕获阶段。

<strong>捕获</strong>

复杂的混合信号MCU必须能够从模拟世界中捕获某些有用信息，并且能够把连续时间信号转换成离散的数字形式。模数转换器(ADC)是完成这项任务最重要的MCU外设，因此ADC的性能往往决定何种MCU适用于何种应用。MCU也能够通过各种串行或并行数字I/O接口捕获来自外部信号源的数字形式的系统信息。

<strong>计算</strong>

随着电子系统中传感器和信号源的快速增加，使得设备设计师们可以在系统MCU或传感器融合协处理器中加入更多的模拟信号通道。尤其是在日益发展的小型物联网领域中更是如此。

信号平均法是一项常用于此类数据采集系统的技术，可以增强数值结果的可用分辨率并抑制多种噪声。虽然过滤方式简单，但其整体效果要取决于所使用的平均法。本文将对传统的序列平均法和最新的交叉平均法进行比较。

许多现代的混合信号MCU和片上系统都直接将平均法加入到模拟-数字转换器硬件中。这大大减少了MCU需要完成的处理量，简化代码编写，缩短处理器需要在高功耗模式中的运行时间。

尽管多种信号与设备之间实现连接的模拟输入多路复用器已十分普遍，但大部分混合信号MCU的硬件平均功能每次只能在一条信号通道中执行。当平均过程完成后，通常会引发中断，然后固件在中断中选择另一个需要转换的模拟输入。在一些设备中，比如赛普拉斯半导体公司的PSoC 4系列1 Msps 12位 ADC 可编程片上系统，其通道序列内置于转换器硬件中，可在无需处理器干预的情况下对所有通道执行平均功能。

这种传统的对单一通道信号进行多次转换后才转到下一个通道的平均模型被称为序列平均。这种方法存在一些限制，主要问题在于会降低多通道环境中的可用采样率，包括被平均的通道和序列中不需要平均的通道。