ADC（數模轉換器）是一種廣泛應用在商業，工業，醫療，通訊，國防及航太等多種領域內混合集成電路芯片，在各種設備中充當了模擬世界和數字世界之間必不可少的橋梁。ADC確保了模擬信號能夠被各類感知，測量與控制系統有效地監測、控制和處理。我們常通過各種傳感器來感知現實物理世界中各種的參數，由前端傳感器將各種物理參數如流量、光強、姿態、加速度、距離、溫度、壓力等按照特定的函數關系轉換成電壓或者電流信號，然后再由ADC器件將這些模擬量轉換成數字量。

 

我們可以把包含前端信號調理電路，ADC模數轉換器，微處理器構成的電路功能塊稱之為數據采集模塊（DAQ Module）。在設計數據采集模塊設計時，ADC（模數轉換器）是一個非常關鍵有源器件，它能夠將模擬信號轉換為數字信號，供后續處理器(MCU/DSP/FPGA)或其他數字電路進行數據處理與分析。

 

全球知名模擬器件公司MPS(芯源系統股份有限公司)于2024年3月，發布了一款工業級高速12位ADC(MDC97476, 12bit,1Msps,SOT23-6)，并將于近期陸續發布微尺寸16位ADC，高精度24位ADC，以滿足嚴苛的工業應用環境下的數據采集需求。

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以下是設計數據采集模塊時的基本要點：

 

1. 選擇合適的ADC類型

 

分辨率：工業，醫療級的應用通常要求高精度。ADC分辨率越高，采集回來信號的精度就越高，但轉換時間也會增加。我們要根據系統對輸入信號的采集精度，來選擇適用的分辨率，如12位，16位，18位或24位。要注意ADC的有效位數（ENOB）通常低于ADC標稱的分辨率。而且ENOB性能也可能隨輸入頻率變化而變化。所以我們要綜合考慮一些具體參數，例如DNL/INL（靜態非線性）以及SNR/THD/SFDR（信噪比/諧波失真/無雜散動態范圍）等。此外，以上指標通常衡量“相對精度”（即線性度），因為在諸如各類通訊系統和控制系統應用中線性度是最重要的指標。在另外一些應用中（如精密測量系統），也重視“絕對精度”（包括增益誤差/零位偏移）。由于“絕對精度”取決于除了ADC本身性能以外的其他參數的，如輸入模擬前端，參考源等，這時常需要進行系統級誤差校準。

 

采樣率：根據應用場景，選擇合適的采樣率。高速應用（如工業級高速閉合伺服控制環路）需要高采樣率（0.1-100Msps量級），而低速應用（如溫度，壓力，濕度監測）則可以使用較低的采樣率（10-1000sps量級）。

 

ADC架構: 常用ADC架構有逐次逼近型（SAR）、ΔΣ（Delta-Sigma）及流水線型 (Pipelined)。SAR架構適用于中高速和高精度應用，ΔΣ適用于低速、高精度或超高精度應用領域。流水線型ADC適合于1MHz-10GHz的高速/超高速數據采集應用，如雷達，衛星通信 ，數字示波器，頻譜分析儀。

 

2. 前端信號調理

 

模擬前端設計：為了保證ADC的測量精度，輸入信號需要經過模擬信號調理。常用的信號調理方法包括信號放大及緩沖、增益調節、斬波、濾波器、隔離器等，來處理各種不同的傳感器信號。

 

濾波器設計：為了避免量化后的信號混疊，通常在ADC前加入低通濾波器, 即抗混疊濾波器(Anti-Aliasing Filter)。ΔΣ ADC內部常帶有數字濾波器，但ADC輸入端前仍然可能需要加入模擬低通濾波器來消除高頻噪聲干擾。

 

3. 抗干擾和信號完整性

 

電源和地設計：工業環境中可能存在較多的電磁干擾（EMI），需要特別注意ADC的供電電源設計和接地方式。可以使用隔離電源、屏蔽線、精密接地和去耦電容，可以有效減少電源紋波對ADC的干擾。

共模噪聲處理：使用差分信號輸入可以有效降低共模噪聲，從而提高信號的信噪比。在存在較大共模噪聲干擾的電路板上，建議ADC輸入通常采用差分信號走線模式來降低共模噪聲的干擾。

噪聲敏感性：選擇低噪聲的ADC和前端電路，如低噪聲運算放大器、穩壓器及參考源等。設計時需要盡量減少信號鏈中其他器件引入的噪聲。

 

4. ADC通信接口選擇

 

SPI/I2C/并行接口：許多ADC通過SPI/I2C/并行接口總線與上位處理器進行數據通信。SPI總線的最高時鐘頻率SCK可以高達40MHz, 因此可以提供更高的數據通信、傳輸速度。而I2C接口適用于低速，多ADC共享總線的分布式ADC數據采集系統，I2C接口的典型工作時鐘頻率為100/400/3400kHz。并行接口適用于高速數據采集應用，如數據采樣率為1MSPS-10GSPS的應用場景。

 

隔離通信：為了避免工業環境中的共模噪聲，或者感應電流環干擾，我們可以使用光電隔離器、隔離放大器或隔離的SPI/I2C接口器件來保護ADC及上位控制器。

 

5. 校準與溫度補償

溫度補償：工業應用環境溫度變化較大，ADC的增益、零位偏移等參數可能隨溫度變化。 在高精度測量應用中，我們可能需要考慮溫度補償，或使用具有內置溫度傳感器的ADC,來感知ADC工作環境溫度的變化。

 

增益、零位偏移校準：信號鏈路的增益誤差通常來自前端信號調理放大器、參考源及ADC，因此對增益誤差敏感的應用中，如優于0.1%的高精度測量系統，我們可以采用固件(Firmware)定期自動對整個信號鏈路進行多點校準（包括增益、零位偏移校準）以保證數據采集模塊的精度。也可以根據模塊的使用溫度變化，來進行自動溫度補償, 以保證全溫度工作范圍內數據采集精度。

 

6. 容錯與安全性

冗余設計：在重要的工業應用中，數據采集模塊需要冗余設計，如使用多個ADC或多采集路徑以提高系統可靠性。

過壓保護：在設計ADC輸入時，必須確保輸入端有過壓保護，以免意外的電壓峰值干擾損壞ADC器件，進而導致整個系統崩潰。

 

7. 穩健性和長期可靠性

工業級組件選擇：選用高可靠性的工業級ADC和其他電子元件，這些組件通常具有更高的溫度適應性和更長的壽命。

封裝和環境適應性：考慮模塊在惡劣工業環境下的適應性，如防塵、防水（IP等級）、防潮、抗腐蝕等。

 

8. 軟件與固件

錯誤檢測與處理：設計數據采集模塊時，上位機控制軟件中應包含錯誤檢測與處理機制，如校驗碼、看門狗、容錯處理等功能。

數據濾波和處理：在采集到的數據中，通常需要進行一些濾波處理（如平均濾波、卡爾曼濾波等）以去除噪聲干擾并保證數據穩定性，準確性。

 

我們可以基于上述技術要點，來有效設計出高精度、可靠、穩健的工業級數據采集模塊，滿足您的各種特殊應用需求。如果您需要了解MPS的ADC產品， 歡迎前往MPS立創商城主頁查找相關的ADC產品參數。

 

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