Интеграция мультиплексоров с Adcs и Dacs для улучшенных систем преобразования данных

Интеграция мультиплексоров с ADC и DAC для усовершенствованных систем преобразования данных

В современной электронике системы преобразования данных служат мостом между аналоговым и цифровым доменами. Является ли это считыванием датчика температуры, обработкой аудиосигнала или управлением драйвером двигателя, качество и эффективность аналого-цифровых (ADC) и цифровых-аналоговых (DAC) преобразований непосредственно влияют на общую производительность системы. Одной часто упускаемой технологией, которая значительно улучшает как масштабируемость, так и использование ресурсов, является интеграция мультиплексоров с ADC и DAC. Путем маршрутизации нескольких аналоговых или цифровых каналов через один преобразователь инженеры могут уменьшить количество компонентов, упростить макет платы и снизить стоимость при сохранении высокой точности. В этой статье рассматриваются основы мультиплексного преобразования данных, преимущества такой интеграции, практические соображения дизайна и реальные приложения.

Основы мультиплексоров, ADC и DAC

Что такое мультиплексор?

Мультиплексор (MUX) — комбинационный переключатель, который выбирает один из нескольких входных сигналов и пересылает выбранный сигнал на один выход. В аналоговых мультиплексорах входы и выходы являются аналоговыми напряжениями или токами; в цифровых мультиплексорах они являются цифровыми логическими уровнями. Для систем преобразования данных наиболее актуальны аналоговые мультиплексоры. Они задаются такими параметрами, как на сопротивление, пропускная способность, впрыск заряда и скорость переключения. Обычным устройством является 8:1 MUX, который позволяет последовательно направлять восемь отдельных аналоговых каналов на один вход ADC. Линии выбора управляются микроконтроллером системы или FPGA.

Роль ADC

ADC преобразует непрерывное аналоговое напряжение в дискретное цифровое число. Ключевые характеристики включают разрешение (количество битов), скорость отбора проб и линейность. Для систем с высокой точностью ADC с последовательным приближением популярны, потому что они предлагают хорошее разрешение на умеренных скоростях с низким энергопотреблением. ADC Sigma-delta обеспечивают более высокое разрешение, но на более низких скоростях, что делает их пригодными для измерений датчиками. Когда несколько аналоговых сигналов нуждаются в преобразовании, типичный подход заключается в том, чтобы либо использовать один ADC на канал (дорогой и потребляющий пространство) или разделить один ADC между несколькими каналами через мультиплексор.

Роль DAC

DAC выполняет обратную функцию: он принимает цифровой код и производит аналоговое выходное напряжение или ток. Опять же, разрешение и время оседания имеют решающее значение. В системах, где требуется несколько аналоговых выходов (например, управление несколькими исполнительными механизмами или аудиоканалами), один DAC может быть сопряжен с демультиплексором (или несколькими аналоговыми переключателями) для генерации нескольких независимых аналоговых сигналов. Комбинация DAC и аналоговых переключателей часто называется «DAC с мультиплексированием выходных данных».

Как мультиплексирование улучшает системы преобразования данных

Снижение сложности и стоимости аппаратного обеспечения

При совместном использовании одного ADC или DAC между несколькими каналами резко сокращается количество преобразователей в системе. Например, система, которая контролирует 16 аналоговых датчиков, может использовать один 16-канальный мультиплексор, питающий один ADC высокого разрешения вместо 16 отдельных ADC. Такой подход минимизирует площадь ПХД, снижает стоимость счета за материалы и упрощает конструкцию источника питания. Даже когда требуется высокая точность, один высокопроизводительный преобразователь, совместно используемый по каналам, может быть более экономически эффективным, чем многие более дешевые преобразователи с одинаковой общей точностью.

Масштабируемость и гибкость

Многослойные архитектуры по своей сути масштабируемы. Добавление новых каналов требует только расширения дерева мультиплексоров (например, с использованием нескольких стадий MUX) или добавления другого MUX к существующей шине ADC. Напротив, не многоплексные системы требуют выделенного ADC для каждого нового канала, что может быть неосуществимо из-за пространственных или бюджетных ограничений. Для DAC выходное мультиплексирование позволяет одному преобразователю генерировать несколько независимых напряжений или токов путем последовательного обновления каждого вывода через аналоговые переключатели. Это широко используется в автоматизированном испытательном оборудовании и промышленном контроле.

Последовательная скорость отбора проб и сбора данных

В мультиплексированной системе ADC каналы отбираются последовательно. Эффективная частота выборки на канал равна общей частоте выборки ADC, деленной на количество каналов. Например, мультиплексная ADC 100 кСПС по 8 каналам дает эффективную скорость 12,5 кСПС на канал. Этого достаточно для многих сигналов с низкой пропускной способностью (температура, давление и т. д. Для приложений с более высокой пропускной способностью требуется одновременная выборка с использованием нескольких ADC. Компромисс между стоимостью и пропускной способностью является ключевым дизайнерским решением.

Улучшение управления сигналами и изоляции каналов

Мультиплексоры обеспечивают отличную изоляцию канала к каналу при правильном выборе. Сигналы вне канала ослабляются, предотвращая перекрестные помехи при преобразовании активного канала. Дополнительно для реализации схем защиты могут использоваться мультиплексоры: перед переходом на новый канал мультиплексор может быть настроен на известное безопасное состояние. Это выгодно, когда некоторые датчики выводят высокие напряжения, которые должны быть заблокированы от входа ADC при нормальной работе.

Архитектура для многопрофильной интеграции ADC

Одноконеченный мультиплексинг

Простейшая топология использует одноконтурный мультиплексор, питающий одноконтурный ADC. Все входные сигналы ссылаются на общую почву. Это хорошо работает, когда все датчики имеют одинаковую наземную отсылку, а уровни сигнала находятся в пределах входного диапазона ADC. Однако наземные петли и шум в общем режиме могут ухудшать производительность. Тщательная компоновка и дифференциальная сигнализация часто требуются для шумных сред.

Дифференциальное мультиплексирование

Для более высокого помехоустойчивости могут использоваться мультиплексоры с дифференциальными входами. Каждый канал имеет положительный и отрицательный вход. АЦП также должен быть дифференциальным. Эта конфигурация отменяет шум общего режима и предпочтительна в промышленных приложениях с длинными кабельными прогонами. Дифференциальные мультиплексоры обычно имеют более высокое количество штифтов и могут требовать более сложной логики управления.

Мультиплексор с программируемым усилителем усиления (PGA)

Часто выход мультиплексора подает PGA перед ADC. PGA настраивает амплитуду сигнала на соответствие полномасштабному диапазону ADC, улучшая динамический диапазон. Прирост может быть запрограммирован на канал, вмещающий датчики с широко различными выходными напряжениями. Эта комбинация (MUX + PGA + ADC) доступна в качестве однокристального решения для сбора данных с высоким разрешением (] Аналоговые устройства системы сбора данных ).

Мультиплексирование с разделением времени для DAC

На стороне вывода один DAC может быть разделен по времени между несколькими аналоговыми выходами с помощью аналоговых переключателей (демультиплексор). DAC обновляет свой выход до желаемого напряжения для канала 1, затем переключатель подключается к каналу 1, в то время как DAC обновляется до канала 2 и т. Д. Аналоговые выходы должны быть отобраны и удержаны (либо с внешними схемами выборки и удержания, либо с емкостным хранилищем) для поддержания стабильного выхода между обновлениями. Скорость обновления на канал - скорость обновления DAC, деленная на количество каналов.

Практические применения

Медицинская визуализация и мониторинг пациентов

В многопараметрических мониторах пациентов для анализа в режиме реального времени необходимо одновременно оцифровывать десятки датчиков (ECG, SpO2, температура, артериальное давление). Однако пропускная способность каждого датчика низкая (DC до нескольких сотен Гц). Многопрофильная система ADC с одним преобразователем сигма-дельта высокого разрешения может обрабатывать все каналы экономично. Например, 24-битная мультиплексная ADC по 16 каналам обеспечивает более чем достаточное разрешение для медицинских сигналов. Мультиплексор должен иметь низкий заряд инъекции и высокую выделку, чтобы избежать артефактов.

Промышленная автоматизация и сенсорные лучи

Автоматизация завода часто требует мониторинга многих датчиков температуры, давления и потока, распределенных по заводу. Распределенная система сбора данных использует мультиплексоры для доставки нескольких локальных сигналов датчика в центральный ADC. мультиплексор может быть размещен рядом с датчиками для уменьшения проводки, а цифровые линии управления могут передаваться на большие расстояния. Этот подход распространен в программируемых логических контроллерах (PLC) и удаленных конечных устройствах (RTU). Texas Instruments предлагает примечания к приложениям на многоплексное получение данных для промышленного управления .

Аудио- и видеообработка

В профессиональных консолях для смешивания аудио много аналоговых аудиоканалов (микрофонов, инструментов) направляются на один ADC для цифрового смешивания, или один DAC размножается на несколько выходных каналов.Хотя в современном аудиокодировочном оборудовании часто используются выделенные кодеки на канал, чувствительные к затратам конструкции для интеркомов или трансляции по-прежнему полагаются на мультиплексирование.Видеоприложения аналогового мультиплексирования менее распространены из-за требований к высокой пропускной способности, но для нескольких каналов камеры при низком разрешении может использоваться мультиплексный ADC.

Автомобильные сенсорные системы

Современные транспортные средства содержат более 100 датчиков, от давления в шинах до температуры двигателя. Для снижения веса упряжки и расхода проводки широко используются мультиплексные АЦП. Например, модуль управления кузовом может считывать все дверные переключатели и внутренние датчики температуры через один 12-битный SAR ADC с 8-1 MUX. Выходное мультиплексирование DAC используется для освещения переменной приборной панели и тактильной обратной связи.

Проектирование для многоуровневой конверсии данных

Целостность сигнала и шум

Мультиплексоры вводят на сопротивление и емкость, которые могут формировать RC-фильтры с входной емкостью ADC, ограничивая пропускную способность и вызывая ошибки урегулирования. MUX должен оседать в течение времени приобретения ADC. Используйте мультиплексоры с низким сопротивлением и быстрым временем переключения. Правильные конденсаторы обхода и буферы привода с низким сопротивлением после того, как MUX может смягчить проблемы урегулирования. Защитите входы MUX от цифрового шума и аналогового маршрута и цифровой основы отдельно.

Сроки и синхронизация

В мультиплексированной системе ADC контроллер должен генерировать точное время последовательности. Меняются адресные линии MUX, затем ждать, пока переключатель оседает, прежде чем начинать преобразование ADC. После преобразования выбирается следующий канал. В синхронных системах эту последовательность может обрабатывать машина состояний или DMA с синхронизацией с таймером. Для мультиплексирования выходов DAC выход должен оседать до того, как аналоговый переключатель изменит выход на следующий канал. Сбои во время переключения могут вызвать всплески напряжения; добавление образца-и-держания для каждого вывода может сгладить переходы.

Разрешение и скорость компромиссов

Более высокое разрешение ADC обычно имеет более медленные скорости выборки. При мультиплексировании многих каналов пропускная способность каждого канала уменьшается пропорционально. Для 16-канальной системы с 10 кСПС ADC каждый канал получает только 625 Гц выборки. Для сигналов с высокочастотным содержимым, таких как анализ вибрации, этого недостаточно. В таких случаях рассмотрите возможность использования нескольких ADC или более быстрого ADC (например, 1 MSPS SAR ADC с 16-1 MUX все еще дает 62,5 кСПС на канал, что может быть адекватным для многих приложений).

Потребление энергии

Мультиплексоры потребляют ничтожную мощность, но АЦП и любые буферные усилители — нет. За счет уменьшения количества АЦП можно снизить общую мощность системы. Однако АЦП должен оставаться активным при отборе любого канала. Для приложений с очень низким энергопотреблением, таких как узлы датчиков IoT, может быть лучше использовать один АЦП с дежурным циклом: мощности АЦП снижаются между конверсиями и заземлен MUX-канал холостого хода.

Канал Crosstalk и Off-Isolation

Даже когда канал не выбран, небольшое количество сигнала на этом канале может соединиться с выбранным каналом из-за емкостной связи в MUX. Это называется выключенной изоляцией и указывается в dB. Для точных измерений выберите мультиплексоры с выключенной изоляцией лучше, чем −80 дБ на интересующих частотах сигнала. Кроме того, при высоких скоростях переключения впрыск заряда из управляющих ворот может создавать смещения напряжения. Некоторые мультиплексоры предлагают встроенную схему отмены заряда.

Защита и чрезмерное напряжение

Датчики в суровых условиях могут вырабатывать напряжения, превышающие входной диапазон АЦП или запас MUX. Мультиплексоры обычно рассчитаны на максимальные входные напряжения (например, ±15 В для стандартного CMOS MUX). Если возможно перенапряжение, необходимы внешние зажимные диоды или резисторы, ограничивающие ток. Альтернативно, используйте защищенные от неисправностей мультиплексоры, которые могут переносить входы до ±30 В даже при отключении питания.

Продвинутые темы и гибридные решения

Одновременный выбор против многослойного выборки

Когда требуются фазово-чувствительные измерения (например, трехфазный мониторинг мощности), каждый канал должен быть отобран точно в один и тот же момент. Многослойные АЦП по своей сути вводят перекос времени между каналами. Для таких применений используют одновременные выборочные АЦП (с несколькими схемами выборки и удержания) или множественные АЦП. Некоторые современные чипы сбора данных объединяют несколько схем выборки и удержания с одним преобразователем и мультиплексором для последовательного преобразования удерживаемых значений, предлагая компромисс.

Мультичип Daisy-Chaining

Для систем с очень большим количеством каналов (например, 256 и более) может быть каскадировано несколько этапов мультиплексора. Например, основной MUX выбирает один из 16 MUX первой стадии, каждый из которых выбирает один из 16 входов. Это создает дерево MUX 256-1. Логика управления становится более сложной, но ADC остается одиночным. Время оседания увеличивается из-за дополнительного сопротивления серии и емкости; необходима тщательная буферизация.

Цифровая фильтрация и усреднение

В мультиплексированных системах шум может быть дополнительно уменьшен путем пересбора и усреднения каждого канала. После того, как все каналы были преобразованы один раз, последовательность повторяется. Цифровые фильтры низкого пропуска могут быть применены к потоку данных каждого канала. Это особенно эффективно для медленно меняющихся сигналов и может улучшить эффективное разрешение на несколько бит (техника часто называется «прибавка путем усреднения»).

Программное обеспечение и Firmware соображения

Внедрение мультиплексной системы ADC в прошивку требует тщательной обработки прерывания и буферизации данных. Многие микроконтроллеры имеют встроенные режимы сканирования ADC, которые автоматически секвенируют по каналам с настраиваемым временем. Для высокоскоростных систем используют DMA для передачи результатов преобразования непосредственно в память без вмешательства ЦП. Для мультиплексирования вывода DAC DMA с синхронизацией с таймером может загружать новые коды в DAC с точными интервалами, в то время как выключатели вывода управляются отдельным шаблоном GPIO.

Заключение

Интеграция мультиплексоров с ADC и DAC остается фундаментальной техникой для создания эффективных, масштабируемых и экономически эффективных систем преобразования данных. Тщательно рассматривая целостность сигнала, сроки и разрешение компромиссов, инженеры могут развернуть одноконвертерные архитектуры, которые обрабатывают десятки или даже сотни каналов без ущерба для точности. Широкое использование мультиплексных конструкций в областях, начиная от медицинских устройств до автомобильных систем, подчеркивает их практическую ценность. Поскольку технология конвертера продолжает улучшать - предлагая более высокие скорости и меньшую мощность - мультиплексная архитектура останется краеугольным камнем современного аналого-цифрового и цифрового преобразования в аналог. Для дальнейшего чтения, обратитесь к руководству по применению производителя к мультиплексному сбору данных Maxim Integrated и Техническая статья Analog Devices о выборе мультиплексора .