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基于串行总线的测量仪器模拟节点设计

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0 引言

智能测量仪器作为信息获取工具，是一种集多个门类、多种学科技术于一体的复杂有机体。随着测试技术、计算机技术和大规模集成电路技术的飞速发展，现代智能测量仪器不但对功能、性能、精度和指标的要求越来越高，而且对系统可靠性、可维修性的要求也越来越高。因此，这就要求测量仪器具有完备的内建测试(build intest，BIT)功能以及自我调节和补偿能力，以使测量仪器系统本身具备测试、诊断和故障定位的能力以及适应各种环境、温度和器部件性能变化的能力。

但是，智能测量仪器要具备这些测试、诊断以及调节、补偿能力，必须首先对整个测量仪器工作状态进行监测，然后通过对这些节点的状态进行分析和处理，从而进行进一步的故障定位或调节补偿。这些状态主要包括环境温度以及电路板上各关键电路节点的电压、电流、功率等，由于都是模拟量，故常称这些分布在电路板上的观测节点为模拟节点。可见，对智能测量仪器工作环境以及各关键节点模拟量的检测是智能测量仪器内建测试以及调节补偿的前提和基础，也是智能测量仪器可测性设计的重要一环，需要认真对待。

下面介绍一种基于串行总线的智能测量仪器模拟节点信号监测电路的没计思想和设计方法。

1 模拟节点信号监测设计原理

典型的电路板模拟节点监测电路通常由信号检测通道、信号调理电路、多路选择开关、采样／保持电路、A／D转换电路以及处理器接口和控制逻辑等构成，如图1所示。

信号检测通道主要用来探测电路板上各探测点的温度、电流、电压等模拟量，通常针对不同探测对象而使用不同的传感器、检波器或相关电路将待检测信号转换成一定的电流或电压信号。

信号调理电路是为了保证A／D转换的精度而在模拟输入信号进入A／D转换器之前首先进行的必要处理，以有效滤除不需要信号的影响，改善信号质量，提高信噪比，增强信号的抗下扰能力，保证输入信号符合A／D转换器并处于其最佳转换范同。信号调理所采用的技术通常包括增谧放大、衰减、滤波、整流、检波信号转换等。多路开关是为了简化电路和降低成本而保证多个模拟节点共用同一个A／D转换器而设计，以方便通过软件实现对某一路模拟艟的转换。多路开关常用的有机械触点式和电子式2种，通常需要根据通道数目、输入方式(单端还是差分输入)、电平高低、切换时间及稳定时间、通路问所允许的最大串绕误差以及控制方式等加以综合考虑选择。

当模拟节点输入信号的频率较高时，为减小A／D转换的孔径误差常设计使用采样／保持电路。采样保持器通常根据输入信号范围、输入信号变化率、采样开关切换速度以及采样误差的允许范围等选择。如果输入模拟信号频率较低，A／D转换相对足够快或A／D集成了采样保持器时则可以省略采样保持器的设计。

A／D转换器足模拟输入通道的关键器件，用来将模拟信号转换成数字信号，以便由处理器进行一系列的后续处理。A／D转换器件种类很多，选择时需综合考虑分辨力、转换精度、转换速度和功耗等指标。一般地，A／D转换器位数选取应根据被测电路的模拟输入信号的变化范围和A／D转换器量化误差及量化噪声等综合考虑。

2 基于串行总线的模拟节点信号监测设计

现代测量仪器智能化程度和性能指标越来越高，越来越多地使用软件进行性能指标的调节、校准和补偿，同时越来越多地需要实时监测整个仪器的工作状态，以提高系统的町靠性，故对模拟节点数量需求越来越大。此外，现代智能测量仪器正迅速向低功耗、低成本、小体积、高性能、高速率方向发展，电路集成度越来越大，成本越来越低，尺寸越来越小，频率也越来越高。作为测量仪器的辅助支撑电路，如何在满足功能和性能的前提下尽可能减少电路板面积占用、减小对其他电路的电磁干扰等影响，一直是设计者不断追求的目标。可见，基于并行总线的传统模拟节点信号监测设计思想已经不能满足需要。

随着串行总线接口技术的诞生和不断成熟，其简单的接口、较高的数据传输效率、灵活的互联方式以及其可扩展性能力使得在电子领域及测试领域得到迅速推广和应用。与并行接口相比，串行接口减少了引脚数目，降低了接口没计的复杂性，减小了电磁辐射和体积。

串行接口通常提供全双工同步操作，数据以位为单位进行串行输入输出。各元器件生产厂家纷纷推出了基于串行总线的器件，越来越多的处理器也开始集成相应的串行通信接口，并兼容一些流行的串行总线。因此，在精度、速度、分辩力等指标许可的前提下，选择多通道以及具有采样保持器串行ADC以及其他串行器件搭建基于串行总线的测量仪器模拟节点方案无疑是一种理想的选择。基于这种串行总线的模拟节点电路设计如图2所示。

在智能测量仪器中，模拟节点通常分布于仪器的各个电路板和功能模块，而每块电路板和功能模块又可能包括多个模拟探测节点。

为此，在设计中往往根据模拟节点的数量选择使用一片或多片多通道串行A／D芯片(如AD公司的AD7812等)构成每块电路板或功能模块的模拟输入通道，而不同电路板或功能模块上的串行设备均挂接在同一串行总线上，由处理器通过控制总线及译码逻辑来选择相应的模拟输入通道并控制相应串行设备的工作。此外，在具体的设计中，往往还可以利用串行总线进行一些辅助电路设计：如利用一些串行D／A转换器构成模拟输出通道，以根据需要产生合适的模拟信号，实现对电路板相关电路的校准与补偿；设计挂接一些串行E2PROM存储器，用来存储相关通道的校准与补偿参数，等等。如图3所示。