一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的復(fù)雜程度可能不亞于與中心計(jì)算機(jī)連接的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，也可能簡(jiǎn)單到僅是一個(gè)在儀表上顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感器。對(duì)于每種系統(tǒng)，都須評(píng)估和權(quán)衡其成本/效益。單從成本角度考慮，可能會(huì)傾向于簡(jiǎn)單的解決方案，但仍須考慮其它一些因素。

    系統(tǒng)要求

    對(duì)于基本系統(tǒng)，其要求是按照性能和成本的比較逐一確定的。系統(tǒng)必須是16位以上，能處理2.5v的差分輸入，而且在沒有單5vdc電源的情況下也能工作，成本必須控制在10美元以內(nèi)。性能和成本的要求往往是矛盾的，但只要稍微發(fā)揮一點(diǎn)創(chuàng)造力就可滿足其要求，甚至做得更好：即在不增加最終材料成本的基礎(chǔ)上把決策功能集成進(jìn)傳感器電路中。通過對(duì)測(cè)量值和預(yù)定范圍內(nèi)的值進(jìn)行比較，并標(biāo)識(shí)出超出范圍的狀態(tài)，就可以增加這項(xiàng)復(fù)雜的功能。

    這類數(shù)據(jù)采集(da)系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊是模擬轉(zhuǎn)換和處理功能。該系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單形式包括：一個(gè)adc處理傳感器輸入轉(zhuǎn)換，一個(gè)微控制器處理數(shù)據(jù)�，F(xiàn)今的adc和微控制器性能比以前已有極大的改進(jìn)。這些改進(jìn)使得上述系統(tǒng)的集成得以實(shí)現(xiàn)，但也付出了代價(jià)，因?yàn)樵谔岣咝阅艿耐瑫r(shí)也增加了集成這兩種功能的復(fù)雜程度。只有開發(fā)出真正集成的單芯片系統(tǒng)方案，這一問題才能解決。本文所闡述的就是一個(gè)低成本、高性能的da系統(tǒng)，它能充分利用每個(gè)器件的特性。

    靈活的器件特性

    系統(tǒng)的核心是一個(gè)adc，即burr-brown的24位δ-σ轉(zhuǎn)換器ads1212，以及microchip technology的微控制器pic16c54c。

    δ-σ adc可提供很多傳感器應(yīng)用所需的高分辨率和良好線性度。有效分辨率可以直接從轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)測(cè)出，以位數(shù)的均方根值表示。如果噪聲為白電平，須從有效值中減去2.7位以便轉(zhuǎn)換成峰-峰值或無波動(dòng)位值。

    為達(dá)到最佳分辨率，器件應(yīng)該以最高器件頻率和最低數(shù)據(jù)輸出率工作。器件頻率和加速模式速率(turbo mode rate)控制著調(diào)制器采樣頻率(加速模式可設(shè)定調(diào)制器頻率）。抽樣(decimation)率可控制數(shù)據(jù)輸出率。如果轉(zhuǎn)換器工作在2.5mhz，加速模式為16，數(shù)據(jù)輸出率為100hz，則有效分辨率約為22有效位，轉(zhuǎn)換成無波動(dòng)位值約為19.3位。如果器件頻率降到1mhz，加速模式為16，數(shù)據(jù)輸出率為100hz，則分辨率下降到21有效位，無波動(dòng)位值約為18.3位。事實(shí)上，在低頻率下工作會(huì)更好一些，這樣可以降低系統(tǒng)功耗和開關(guān)噪聲。

    具有了這種靈活性，就可以確定能滿足系統(tǒng)要求的器件頻率。同時(shí)，為了提高或降低有效分辨率，還可以通過軟件在數(shù)據(jù)輸出率和加速模式速率間進(jìn)行折衷。另外，ads1212可進(jìn)行內(nèi)部自校準(zhǔn)以消除元件引入的誤差，從而提高了有效分辨率。利用系統(tǒng)校準(zhǔn)可修正系統(tǒng)偏移和增益誤差。

    其它要求

    對(duì)2.5v的差分輸入信號(hào)，要求4階增益，因此須用到板上可編程增益放大器(pga)。應(yīng)當(dāng)注意加速模式速率和pga的乘積不得超過16。在這種場(chǎng)合下，將pga限定為4，加速模式速率也限定為4。ads1212中的數(shù)字濾波器是一個(gè)sinc▲3▲低通濾波器，其-3db截止頻率等于0.262×數(shù)據(jù)速率。因?yàn)檩斎胄盘?hào)是dc信號(hào)，所以信號(hào)的頻率響應(yīng)下降不是問題�？梢栽谳斎攵思右粋�(gè)反偏(anti-aliasing)低通濾波器以隔離adc和緩沖器。

    轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗決定于pga、加速模式數(shù)和器件頻率，并由下式給出：

    ain=[（1mhz/f▼xin▼）*20▲6▲/(pga*tmr)] (1)

    其中：tmr=加速模式速率

    因此，輸入阻抗為1.2mω，這對(duì)大多數(shù)傳感器應(yīng)用已經(jīng)足夠。

    器件內(nèi)部參考可提供約20有效位，所以內(nèi)部參考電壓可以滿足系統(tǒng)的要求。

    進(jìn)一步規(guī)范了模擬要求之后，現(xiàn)在來看看模擬部分和數(shù)字部分是怎樣結(jié)合在一起的。在這一方面微控制器的幾個(gè)重要特性起了重要作用。

    器件運(yùn)行時(shí)功耗很小，通常工作電流小于2ma。為進(jìn)一步降低功耗，微控制器和adc都帶有休眠模式(sleep mode)。在極低功耗的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器甚至可通過微控制器的i/o引腳供電。比如，微控制器可以停止給轉(zhuǎn)換器供電并進(jìn)入休眠狀態(tài)。因此唯一的電流就是微控制器的待機(jī)(standby)電流，從而降低了功耗且延長(zhǎng)了電池壽命。

    微控制器所需的時(shí)鐘可以從一個(gè)簡(jiǎn)單的rc電路獲取。這個(gè)時(shí)鐘在clkout引腳輸出，可以用來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器的xin。這樣不僅節(jié)省了兩個(gè)單獨(dú)的晶振，而且保證了微控制器與時(shí)鐘同步。但有一點(diǎn)需特別注意，如果用簡(jiǎn)單的rc電路來做系統(tǒng)時(shí)鐘，那么其頻率將隨電壓和溫度的改變而變化。這不算什么問題