多通道模擬量采集電路設(shè)計探討*

江耿豐，張興國，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)計探討*

江耿豐，張興國，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，重點闡述多通道模擬量采集電路設(shè)計中的3個關(guān)鍵點，包括防串電設(shè)計、放大一致性設(shè)計和通道信息采集時間設(shè)計.通過對3個關(guān)鍵點的分析和論證，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)計時通常采用共用信號放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計方案.如某衛(wèi)星中心管理單元使用自動順序采集電路實現(xiàn)了70路模擬量的順序采集.設(shè)計實踐表明:防串電設(shè)計、放大一致性設(shè)計和通道切換等待時間設(shè)計是標(biāo)準(zhǔn)化多通道模擬量采集電路需特別注意的3個關(guān)鍵點.若不注意把握此3個關(guān)鍵點，產(chǎn)品易出現(xiàn)設(shè)計上的問題，如某衛(wèi)星驅(qū)動控制單元在研制過程中遇到模擬量通道串電問題，又如某衛(wèi)星控制計算機在研制過程中遇到通道切換后信號建立時間過長的問題等.

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、放大倍數(shù)一致性設(shè)計、切換時間設(shè)計進行探討，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行說明.采集多路模擬信號時，一般用多路模擬開關(guān)巡回檢測的方式.利用多路開關(guān)(MUX)讓多個被測對象共用信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路.當(dāng)采集高速信號時，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)計采樣/保持(S/H)電路.按照上述原理設(shè)計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，多路開關(guān)依次選通各個模擬量通道，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

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)計方案，模擬量采集電路亦不例外.對于一接二的模擬量采集電路，存在未加電單機被信號輸出方串電的可能性.

例如圖1中的信號調(diào)理電路設(shè)計在部件內(nèi)部，或者電路設(shè)計未包含信號調(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關(guān)的保護二極管網(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)計通常采用限流和反串二極管兩種方式實現(xiàn).

限流方法是在模擬量信號進多路開關(guān)之前串聯(lián)一個合適阻值的電阻.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，輸入信號源內(nèi)阻為R2，忽略其他影響，則串電電壓

實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，如果信號內(nèi)阻R2相對于R1不可忽略，采用串接電阻限流的方法會造成模擬量信號采集誤差.

防串電的另一種常用方法是在多路開關(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關(guān)電路.如果采集接口使用的多路開關(guān)器件存在其他通路，靠反串二極管和限流的防串電設(shè)計將復(fù)雜度將成倍提高.

圖2中若多路開關(guān)為無防串電特性的16選1多路開關(guān)HI-506，在R1=1 kΩ，輸入5 V信號的情況下，通?？稍谖醇与妴螜C測得存在1.5 V以上串電電壓.將R1調(diào)整100 kΩ，并在多路開關(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)計需注意選擇無串電潛通路的多路開關(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關(guān)，則首先應(yīng)考慮控制模擬量信號源的內(nèi)阻，再考慮采用電阻串聯(lián)和反串二極管的設(shè)計方法.

3 放大倍數(shù)一致性設(shè)計

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

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

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

圖3 單個通道放大電路簡化圖Fig.3 Simplified diagram of a single channel amplifying circuit

圖3電路的放大倍數(shù)

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

在式(3)中分別對各參數(shù)求導(dǎo)，可得

式(4)～(6)說明了圖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放大電路一致性的影響，應(yīng)盡量設(shè)計放大倍數(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)的相對變化程度，式(7)、(8)衡量了電阻不穩(wěn)定性ΔR5/R5和多路開關(guān)導(dǎo)通電阻不穩(wěn)定性ΔRo/Ro對放大倍數(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)于多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻穩(wěn)定性［4-5］.故在電路設(shè)計時，可考慮適當(dāng)選擇R5＞Ro，減少多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻穩(wěn)定性對放大電路放大倍數(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 信號采集時間設(shè)計

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

假設(shè)等待時間為t，則要求

其中，t0表示模－數(shù)轉(zhuǎn)換時間;t1表示多路開關(guān)的傳遞時間;t2表示放大電路的信號穩(wěn)定時間.

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

假設(shè)放大電路設(shè)計為一階低通放大的形式，如圖3所示，運算放大器直流放大倍數(shù)為A0，上限頻率f0，輸入信號Ui(t)，輸出信號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，信號穩(wěn)定時間t取決于3個參數(shù):(1)上限頻率f0;(2)跳變前電壓U1;(3)跳變后電壓U2.

第一項參數(shù)由電路確定，f0越大，等待時間越小.運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，可減少等待時間.

第二、三項參數(shù)決定于外部輸入，可以描述為輸入信號變化幅度越大，需等待時間越長.圖4給出了某電路在8.10 V輸入階躍信號和10.2 V輸入階躍信號下由示波器獲取的輸出波形.在8.1 V輸入下上升時間要明顯小于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可能需要采集幾十路模擬量信號，過長的通道切換等待時間會對系統(tǒng)性能造成影響.在設(shè)計和使用多通道模擬量采集電路時，應(yīng)注意減少放大電路的放大倍數(shù)(必要時可分為多級放大設(shè)計)，同時應(yīng)注意通道切換前后的電壓變化值，以減少通道等待時間.

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.本文通過分析多通道模擬量采集電路的工作原理，說明防串電設(shè)計、放大倍數(shù)一致性設(shè)計以及通道切換等待時間設(shè)計的三個關(guān)鍵點應(yīng)注意的相關(guān)因素.本文分析與實驗的結(jié)論表明通過控制電路中放大倍數(shù)設(shè)計、控制多路開關(guān)和運算放大器的選擇、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，高級工程師，研究方向為星載計算機總線技術(shù);張興國(1978—)，男，高級工程師，研究方向為星載計算機及電子產(chǎn)品設(shè)計;馮 丹(1983—)，女，高級工程師，研究方向為星載計算機及電子產(chǎn)品設(shè)計.

*國家自然科學(xué)基金資助項目(61502031).

2015-05-13