多通道数据采集系统

工业测量系统常常必须对来自多个信号源的信号进行数字化处理，可采用几种方式来实现这种处理。在图1a中，模拟多路复用器(MUX|0">MUX)在来自8个模拟传感器的输入信号中进行选择，然后MUX将输出信号馈送给信号调节放大器，信号调节放大器将输出信号馈送给模数转换器(ADC)。目前普遍采用集成了多路复用器和ADC的IC，但也可以购买分离的元件。

图1a描述的这种方法采用输出并行数据的快速ADC时的工作效果很好。图1b给出了一种备选方案，在这个示例中，数字MUX选择多个串行输出ADC，该方法的优势是能在传感器端进行模数转换。通常情况下，DSP的选型和DSP的输入格式决定了采用哪种方法。

在以上任何一种方案中，微控制器通常都会控制MUX。微控制器将按次序采集每个经过数字化的信号并对其进行处理，或者将数据存储在分配给提供该数据的通道的存储器中。

多路复用器

采用一个集成了MUX的芯片来设计多路数据采集系统是最佳选择，因为芯片设计工程师解决了系统设计工程师可能面临的很多设计问题。

如果采用分离的多路复用器，设计工程师则应该了解数据表中列出的一些特性参数。图2是用于单端信号的独立八输入多路复用器的结构框图，该器件的数据表列出了稳定时间和开关时间的特性参数。

多路复用器的CMOS FET开关的栅-源极电容和栅-漏极电容，以及源极和负载的RC时间常数都会影响稳定时间。设计工程师必须考虑这么一个事实：当负载和源极的电容增加时，源极和负载端的开关瞬态振幅将降低。

减小开关瞬态振幅的一种折衷方法是增加稳定时间。图3给出的多路复用器数据表列出了源极阻抗对稳定时间的影响。

图2：对大多数元器件来说，多路复用器芯片是一个相当简单的器件。

稳定时间是MUX数据表中另外一个重要特性参数，它是新的数字代码被施加到通道地址输入端之后，CMOS FET导通所需要的时间。在通道之间的信号电平有10V变化的情况下，通过测量从地址输入信号的50%到输出端模拟信号的90%之间的时间，可得到稳定时间。

图3：稳定时间和开关时间是选择独立的多路复用器芯片时两个重要的考虑因素。

实际考虑：一个设计示例

为了理解如何设计一个多通道数据采集系统，这里考虑一个用于病人监视器的子系统(图4)，然后针对培训课程进行开发，整个设计过程非常具有指导意义。

这种系统的模拟输入来自监视体温的热敏电阻、称重传感器(测量体重的应变计)、测量心率的光电传感器，以及用于语音输入的麦克风。外部器件包括一个DSP和一个数模转换器，但本例重点在信号链路和ADC上。

图4：这是文章中描述的病人监视器的基本功能。

系统需求

系统规格要求最高称重量为100kg，精度为1kg，分辨率为12位。由于这种信号改变较慢，所以最大带宽仅需为10Hz。

经过选择的温度传感器可以测量23℃～43℃范围内的体温，分辨率为0.01℃，但精确度只有±2℃。监视心率的光学传感器必须具备每分钟感应60～120次心跳的能力，因此所需带宽仅为1～2Hz。但由于它是一个光学传感器，所以必须抑制来自室内照明的干扰。为简单起见，假设使用这种产品的地区的电源线频率为60Hz。麦克风通道必须能够传输300～4,000Hz的音频信号。

四个通道的模拟信号带宽要求总结如下：体重和体温通道需要0.1～10Hz的带宽，心率通道需要10Hz的带宽，音频通道则需要4kHz的带宽。根据这些系统要求可得到更加详细的系统框图 。图5是具有增益模块、滤波器和其它元件的系统框图。

图5：图4中的简单框图可通过不同方式得以扩展，这是在文章中进行了说明的版本。

评估时序需求

从时序角度看，为抑制来自室内照明的干扰，心脏监视器的采样速率应为60Hz的n倍，其中n为整数，这意味着采样时间等于16.667µs/n。在本例中，n等于155时，采样速率为9.3ksps。系统设计工程师必须考虑这个采样速率对于其它通道是否可行。

语音通道要求带宽为4kHz，因此Nyquist判据要求最低采样速率为ksps。因此，只要抗混叠滤波器具有足