揭秘高性能多路复用数据采集系统

量程阶跃建立时间性能更佳。

　　多路复用器输入端测得的信号还显示出来自通道开关的反冲。 多路复用器输入端的缓冲放大器有助于建立该反冲。 若由于成本或空间等原因无法使用输入缓冲放大器，则可在输入端添加一个经过优化的RC滤波器，以降低反冲和串扰的影响。 多路复用器输入端使用的RC滤波器值会影响信号链的总噪声和建立时间。

　　当多路复用器静止时，AD7960运行在5 MSPS最大吞吐速率下的数据采集系统输出离开正常满量程约14 LSB，可表示系统的总增益和失调误差。 对于大多数应用而言，该多路复用器开关时，ADA4899-1驱动放大器有助于在可以接受的通道间串扰误差范围内使输出建立至正和负满量程。 输出误差与吞吐速率成指数关系，并在5 MSPS时达到0.01%最大值，如图9所示。较低吞吐速率下的零串扰误差表示ADC输出在第一次转换期间建立至其最终值。

　　图9. 串扰误差与吞吐速率的关系，以满量程幅度的百分比表示

　　如图10所示，1 V p-p（满量程的10%）时，相对于满量程的串扰误差不足0.001%，并且随差分输入幅度成线性变化关系。 相对于阶跃幅度的串扰误差在整个输入范围内几乎是平坦的，并且总是不足0.01%。

　　图10. 串扰误差与差分输入信号的关系

　　该多路复用信号链在噪声与建立时间之间取得了最佳平衡，具有最优性能。 这些结果表明，建立大电压阶跃、从ADC输入端反冲以及在多路复用操作中降低串扰误差幅度时需要用到宽带宽、快速建立放大器。

　　多路复用数据采集系统布局考虑因素

　　印刷电路板（PCB）布局对于保持信号完整性以及实现信号链的预期性能至关重要。 图11所示为69 mm × 85 mm四层评估板的顶视图。 在电路板上进行独立元器件和各种信号路由布局时必须十分仔细。 本例中，输入信号从左至右进行传递。 ADC的全部电源和基准电压源引脚都必须采用电容去耦；电容应靠近DUT放置，并使用短而宽、低阻抗的走线进行连接，以便为高频电流提供路径、最大程度降低EMI的影响并减少电源线路上的毛刺效应。 数据手册中建议的典型值为10 µF和100 nF。 多路复用器、放大器以及ADC的输入和输出引脚之下的接地层和电源层应予以移除，以避免产生干扰寄生电容。 器件的裸露焊盘应使用多个过孔直接焊接到PCB的接地层上。 将敏感模拟部分与数字部分相隔离，同时使电源电路远离模拟信号路径。 快速开关信号（比如CNV±或CLK±）不应靠近或越过模拟信号路径，以防噪声耦合至ADC。

　　图11. 多路复用数据采集系统评估板顶层

　　多路复用数据采集应用

　　工业自动化和医疗成像中使用的高性能、多通道数据采集系统要求具有宽带宽、高精度和快速采样性能——所有这一切都必须通过小尺寸、低成本器件实现。 18位AD7960和16位AD7961具有5 MSPS吞吐速率，允许更多通道多路复用至更少的ADC，同时大幅降低成本、功耗和封装尺寸。 这有助于设计人员应对高通道密度系统中经常遇到的空间、散热、功耗和其他重要设计挑挑战。

　　出色的线性度和低噪声性能可提升计算机断层扫描（CT）和数字X射线（DXR）应用中的图像质量。 在高采样速率下将众多通道切换至较少的ADC可提供更短的扫描周期，同时降低暴露在X射线下的剂量，从而实现精确、成本合理的诊断以及更佳的患者体验。 在CT扫描仪中，每通道使用一个积分器和采样保持电路连续捕获像素电流，并将输出多路复用至高速ADC。 低噪声模拟前端将来自每个像素的小电流转换为大电压，然后再将电压转换为能够处理的数字数据。

　　多路复用医疗成像系统——特别是CT和DXR——指定相邻像素的典型像素间串扰误差为±0.1%，而非相邻像素的误差为±0.01%。 本文所示结果表明，本多路复用信号链在最大吞吐速率和满量程范围内产生的串扰误差仍处于可接受的限值之内。

　　结论

　　高性能、高通道密度、多路复用数据采集系统要求具备可靠的性能、灵活的功能以及高精度，同时还要满足功耗、空间和散热要求。 本文提供根据关键设计考虑因素来选择多路复用信号链元器件以实现预期性能的指南，以及如何在吞吐速率、建立时间和噪声之间进行权衡取舍。 该信号链可实现最优性能，满量程范围内的5 MSPS串扰误差不超过0.01%。