揭秘高性能多路复用数据采集系统

     简介

　　高通道密度数据采集系统用于医疗成像、工业过程控制、自动测试设备和40G/100G光通信系统可将众多传感器的信号多路复用至少量ADC，随后依序转换每一通道。 多路复用可让每个系统使用更少的ADC，大幅降低功耗、尺寸和成本。 逐次逼近型ADC——通常根据它们的逐次逼近型寄存器而称它们为SAR ADC——具有低延迟特性，因此适合用于要求对满量程输入阶跃（最差情况）作出快速响应而无任何建立时间问题的多路复用系统。 易于使用的SAR ADC提供低功耗和小尺寸。 本文重点讨论与使用高性能精密SAR ADC的多路复用数据采集系统相关的关键设计考虑因素、性能结果和应用挑战。

　　多路复用数据采集系统挑战

　　多路复用数据采集系统要求采用宽带放大器，以便驱动ADC的满量程（FS）输入范围时可以快速建立。 此外，对多路复用通道进行开关和顺序采样必须与ADC转换周期同步。 相邻输入之间的巨大电压差使这些系统易受通道间串扰的影响。 为了避免产生误差，完整的信号链（包括多路复用器和放大器）必须建立至所需精度——一般以串扰误差或建立误差表示。 图1显示的是一个数据采集系统框图，该系统包括多路复用器、ADC驱动器和SAR ADC。

　　图1. 多路复用数字采集系统框图

　　多路复用器

　　多路复用器的快速输入切换和宽带宽性能是实现高性能的关键。 多路复用器的开启或关断时间表示应用数字控制输入与输出超过VOUT 90%之间的延迟，如图2所示。

　　图2. 典型多路复用器的开关时间

　　当多路复用器切换通道时，在其输入端会产生电压毛刺或反冲。 该反冲与开启和关断时间、导通电阻以及负载电容成函数关系。 具有低导通电阻的大开关通常需采用大输出电容，而每次输入端开关时，都必须将其充电至新电压。 如果输出未能建立至新电压，则将产生串扰误差。 因此，多路复用器带宽必须足够大，且多路复用器输入端必须使用缓冲放大器或大电容，才能建立至满量程阶跃。 此外，流过导通电阻的漏电流将产生增益误差，因此这两者都应尽可能小。

　　ADC驱动器

　　开关多路复用器的输入通道时，ADC驱动放大器必须在指定的采样周期内建立一个大电压阶跃。 输入可从负满量程变化到正满量程，也可能从正满量程变化到负满量程，因此短时间内可创建大输入电压阶跃。 放大器必须具备较宽的大信号带宽和较快的建立时间，才能处理该阶跃。 此外，压摆率或输出限流会导致非线性特征。 同时，驱动放大器必须建立反冲——该反冲是由于采集周期开始时，SAR ADC输入端的充电再平衡所导致。 这可能会成为多路复用系统中输入建立的瓶颈。 通过降低ADC的吞吐速率可缓解建立时间问题，提供更长的采集时间，从而允许放大器有充分时间建立至所需精度。

　　图3显示输入端发生满量程变化时，多路复用数据采集系统的时序图。 ADC周期时间由转换时间和采集时间构成 （tCYC = tCONV + tACQ），其在数据手册中通常指定为1/吞吐速率。 转换开始时，SAR ADC的电容DAC与输入断开连接，且多路复用器通道可在一个较短的开关延迟时间tS之后切换到下一通道。 这样，便可有尽可能多的时间来建立至选定通道。 为了保证最大吞吐速率下的性能，多路复用系统中的所有元器件都必须在多路复用器切换和采集时间结束之间这段时间内完成ADC输入端的建立。 多路复用器通道开关必须与ADC转换时间正确同步。 多路复用系统可实现的吞吐速率等于单一ADC吞吐速率除以采样通道数。

　　图3. 多路复用数据采集系统典型时序图

　　多路复用器输入端的RC滤波器

　　某些设计人员使用低输出阻抗缓冲器处理来自多路复用器输入端的反冲。 SAR ADC的输入带宽（几十MHz）和ADC驱动器的输入带宽（几十到几百MHz）高于采样频率，且所需的输入信号带宽通常为几十到几百kHz范围内，因此多路复用器输入端可能需使用RC抗混叠滤波器，以防干扰信号（混叠）折回目标带宽，并缓解建立时间问题。 每个输入通道使用的滤波器电容值都应根据下列权衡条件仔细选择： 大电容有助于衰减来自多路复用器的反冲，但大电容也会降低之前放大器级的相位裕量，使其不稳定。 对于高Q、低温度系数以及各种电压下电气特性稳定的RC滤波器，建议采用C0G或NP0类电容。 应选用合理的串联电阻值，以保持放大器稳定并限制其输出电流。 电阻值不可过高，否则多路复用器反冲后放大器将无法对电容再充电。