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可編程增益放大器MCP6S2X在多路信號采集中的應(yīng)用
摘要：MCP6S2X系列是MicrochipTechnology公司推出的可編程增益放大器，可廣泛用于多路模擬傳輸應(yīng)用、信號采集、A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動和信號測量系統(tǒng)中。文中介紹了MCP6S2X系列的結(jié)構(gòu)和功能，并通過多路信號采集電路的比較說明了該芯片的主要特點(diǎn)。最后給出了一個MCP6S2X的實(shí)用電路。關(guān)鍵詞：MCP6S2X；程控增益放大器；多路信號采集
在實(shí)際的電路應(yīng)用中,模擬信號的采集是一個重要環(huán)節(jié)。工業(yè)控制一般需要采集各種現(xiàn)場參數(shù)（如溫度、壓力、流量等），并對這些參數(shù)進(jìn)行處理。往往比較難處理的是信號采集部分。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號的處理無論從精度和速度上來說，都在不斷提高。剩下的問題是如何方便地將模擬數(shù)據(jù)采集到微處理器中。
在許多嵌入式設(shè)計(jì)中，微控制器或者數(shù)字信號處理器需要處理若干個模擬信號才能完成一種控制功能或者一系列控制任務(wù)。這些模擬信號往往需要先經(jīng)過某種處理（例如濾波、緩沖、或者放大），然后處理器才能精確地對它們進(jìn)行轉(zhuǎn)換，至少要把信號放大到系統(tǒng)能夠使用的電平。因此，選擇合適的元器件將會對電路的設(shè)計(jì)起到事半功倍的作用。
�。停椋悖颍铮悖瑁椋穑裕澹悖瑁睿铮欤铮纾就瞥龅目删幊淘鲆娣糯笃�(ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｉｎＡｍｐｌｉｆｉｅｒ,ＰＧＡ)已將放大器、ＭＵＸ和利用ＳＰＩ總線選擇的增益控制器整合在了一起，從而可以協(xié)助用戶有效地提升系統(tǒng)的數(shù)碼仿真控制效能。新器件專供各種工業(yè)和儀器市場以及信號和傳感處理領(lǐng)域使用。新款ＭＣＰ６Ｓ２ｘ系列器件除可提供放大器功能外，還可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)碼控制效能，用戶可在ＳＰＩ總線上對系統(tǒng)進(jìn)行編程，并可通過有效控制增益和選擇輸入信道來得到更大的設(shè)計(jì)靈活性。此外，由于ＰＧＡ不需要反饋和輸入電阻，因此，還可大幅減低成本并節(jié)省機(jī)板空間。
１ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ芯片的功能和參數(shù)
�。停椋悖颍铮悖瑁椋穑裕澹悖瑁睿铮欤铮纾镜模停茫校叮樱玻保玻叮甘悄M增益可編程運(yùn)放(ＰＧＡ)芯片。該芯片的增益可設(shè)置為＋１～＋３２Ｖ／Ｖ,而且具有輸入通道選擇功能,可通過ＳＰＩ總線選擇增益水平和輸入信道，以擴(kuò)大微控制器的仿真輸入范圍，同時可減少對輸入／輸出管腳數(shù)量的需求，從而降低微控制器的成本。此外，單一信號路徑的多重信道還可協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)行仿真信號路徑的校準(zhǔn)，以提高時間和溫度的準(zhǔn)確度。該器件寬廣的頻帶特別適用于以較低電流運(yùn)行的放大器，并可減少產(chǎn)品對電源功率的需求。
�。保毙酒_定義
新款ＭＣＰ６Ｓ２１和ＭＣＰ６Ｓ２２具有８腳ＰＤＩＰ、ＳＯＩＣ和ＭＳＯＰ封裝，ＭＣＰ６Ｓ２６采用１４管腳ＰＤＩＰ、ＳＯＩＣ和ＴＳＳＯＰ封裝，ＭＣＰ６Ｓ２８則采用１６管腳ＰＤＩＰ、ＳＯＩＣ和ＴＳＳＯＰ封裝。它們的引腳排列如圖１所示，表１所列是其引腳功能。
表1MCP6S2X系列芯片引腳定義（MCP6S28為例）
管腳名作用VOUT模擬輸出CH0～CH7模擬輸入VSS電源負(fù)端VDD電源正端SCKSPI時鐘輸入SISPI串行數(shù)據(jù)輸入SOSPI串行數(shù)據(jù)輸出CSSPI片選VREF外部參考電壓
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●輸入通道數(shù):１、２、６或８個通道可選；
●頻寬：２ＭＨｚ～１２ＭＨｚ；
●有８種增益選擇，分別為：＋１,＋２,＋４,＋５,＋８,＋１０,＋１６或＋３２Ｖ／Ｖ；
●ＴＤＨ＋Ｎ：０．００１２％；
●帶有串行外圍設(shè)備接口(ＳＰＩ)；
●增益誤差低:±１％(最大)；
●偏移低:±２７５μＶ(最大)；
●帶寬:２～１２ＭＨｚ(典型)；
●噪音低:１０ｎＶ／ｒｔＨｚ(典型)；
●電源電流低:１．０ｍＡ(典型)；
●偏置電壓低：２７５μＶ（典型）；
●穩(wěn)定時間：２００ｎｓ；
●單電源供電電壓:２．５Ｖ～５．５Ｖ；
●工作溫度范圍：－４０～８５℃。
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�。停茫校叮樱玻感酒膬�(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（其它類似）如圖２所示。由圖可見，ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ芯片內(nèi)部由一些簡單的功能模塊構(gòu)成，可共同完成多路選擇、可變增益調(diào)節(jié)等功能。ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ具有多路選擇輸入（ＭＵＸ）模塊，共有八路輸入，可由軟件設(shè)置通道選擇。不用的輸入引腳應(yīng)懸空，以使輸入電流最小。當(dāng)然，接ＶＤＤ或ＶＳＳ時，芯片也能正常工作?但輸入電流會變大。
內(nèi)部運(yùn)放部分主要由運(yùn)放、增益轉(zhuǎn)換器、梯形電阻(ＲＬＡＤ＝ＲＦ＋ＲＧ)等組成，可完成信號的放大和帶寬選擇，提高輸出電壓的精確性。
ＳＰＩ邏輯控制部分主要提供片選信號、同步時鐘、串行輸入輸出、上電復(fù)位、控制指令和數(shù)據(jù)讀寫以完成通路選擇和增益控制等功能。上電復(fù)位電路ＰＯＲ（Ｐｏｗｅｒ－ＯｎＲｅｓｅｔ）的功能是：當(dāng)電源電壓低于ＰＯＲ的限定電壓時?ＶＤＤ＜ＶＰＯＲ≈１．７Ｖ?，使內(nèi)部ＰＯＲ電路復(fù)位所有的內(nèi)部寄存器，并使芯片運(yùn)行在關(guān)機(jī)模式下。當(dāng)ＶＤＤ大于ＶＰＯＲ時，ＰＯＲ又使芯片恢復(fù)正常。另外，用ＭＣＰ６Ｓ２６、ＭＣＰ６Ｓ２８還可以實(shí)現(xiàn)多個芯片的連接，其連接形式為串行接口方式。多片連接時，前一個芯片的ＳＯ引腳應(yīng)連到后一個芯片的ＳＩ引腳，依此類推，它們可共用ＳＣＫ和ＣＳ引腳。
３幾種多路采集電路的比較
在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，每個模擬信號需用一個運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和阻抗匹配，然后送到處理電路（參見圖３）。這樣，在處理４路模擬信號的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最少需要４個運(yùn)算放大器、８個電阻、并需占用處理器４個Ｉ／Ｏ引腳(片內(nèi)含采樣保持Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換)。
為了克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，可采用多路復(fù)用方式，這是目前最常用的方式。但應(yīng)注意，很多信號并不需要連續(xù)不斷地測量，所以可使用非同時進(jìn)行采樣的方案。在需要使用高性能運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中，如果采用非同時進(jìn)行采樣的方案，則可用一個運(yùn)算放大器，然后在它前面接一個多路復(fù)用器（ＭＵＸ），再通過它把幾路模擬信號接到一個共用的放大器上。這樣，多路復(fù)用器就會按照處理要求，把各路模擬信號接到運(yùn)放上去。其實(shí)現(xiàn)方案如圖４所示。
使用多路復(fù)用器可以減輕傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題。它可將占用的處理器Ｉ／Ｏ減少到一個，所有需要放大的信號只需要用一只高性能的運(yùn)算放大器即可。
該方案由于減少了元件的數(shù)量，因此所需要的電流以及在電路板上占用的空間也減少了。但同時，該方案也需要增加某些元件的成本和數(shù)量。有些比較新的器件看起來較為經(jīng)濟(jì)有效，但是控制起來并不容易，所以并不適合現(xiàn)代嵌入式控制系統(tǒng)使用。為了控制增益或選擇信號，這些器件在接到處理器上時，同樣需要使用較多的Ｉ／Ｏ引腳。因此，這種系統(tǒng)所用器件比較多，不利于進(jìn)一步提高集成度，而且易受干擾。
對于上述情況，若使用一只ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可編程放大器，那么前面講到的處理多路模擬信號的系統(tǒng)所存在的問題便迎刃而解了。處理器上的ＳＰＩ端口可用來把命令送到ＭＣＰ６Ｓ２８增益可編程放大器上，以便選擇把哪一路信號接到處理器，同時也可以改變放大器的增益。這樣，就有可能改變每一路信號的增益，而且可以在處理信號的同時改變增益。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)信號太弱，處理器就可以增大這個信號的增益。當(dāng)信號達(dá)到較高的電平時，處理器則可以降低增益。圖５是采用ＭＣＰ６Ｓ２ｘ系列器件進(jìn)行設(shè)計(jì)的方案示意圖。
�。磻�(yīng)用電路
圖６為ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ系列芯片的應(yīng)用硬件連接圖?筆者在設(shè)計(jì)“工藝對象仿真裝置”數(shù)據(jù)采集板時?項(xiàng)目要求對加熱爐對象進(jìn)行仿真?該對象為多輸入多輸出對象，它不僅需要輸入溫度、壓力等參數(shù)，也要有擾動信號（隨機(jī)干擾和確定性干擾）。該對象的多個輸入?yún)?shù)被采集到單片機(jī)中后，單片機(jī)將根據(jù)該對象的傳遞函數(shù)進(jìn)行處理或通過串口將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理?并最后輸出仿真結(jié)果。
本設(shè)計(jì)采用６通道的ＭＣＰ６Ｓ２６來進(jìn)行，因?yàn)椋粒裕福梗茫担矄纹瑱C(jī)沒有三線制串行總線接口，所以，在它與ＭＣＰ６Ｓ２６通過三線制串行總線連接時，應(yīng)使用軟件模擬三線制串行總線來操作，包括串行時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。因此，可用Ｐ１．７來模擬片選端ＣＳ，Ｐ１．４模擬時鐘輸入端ＳＣＫ，Ｐ１．６模擬數(shù)據(jù)輸入端ＳＩ，Ｐ１．５模擬數(shù)據(jù)輸出端ＳＯ。為節(jié)約單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口，設(shè)計(jì)中還選用了串行總線（Ｉ２Ｃ總線）Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片ＴＬＣ０８３２。
對ＭＣＰ６Ｓ２６進(jìn)行操作的控制字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)均從ＳＩ引腳輸入，并在寫入數(shù)據(jù)的串行時鐘（ＳＣＫ）上升沿被鎖存。從芯片讀取的數(shù)據(jù)則從ＳＯ引腳串行移出，并在串行時鐘的下降沿輸出。整個數(shù)據(jù)交換期間，ＣＳ必須保持低電平。
�。到Y(jié)論
ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可編程放大器特別適用于多路信號采集電路的設(shè)計(jì)，因而可廣泛應(yīng)用于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換驅(qū)動控制、數(shù)據(jù)采集、測試設(shè)備、多路傳輸模擬應(yīng)用、工業(yè)以及醫(yī)療儀器等方面。由于處理器是通過軟件對模擬信號電路進(jìn)行控制，所以其適應(yīng)性和靈活性很高。采用ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可編程放大器時，原來需要較多元件的設(shè)計(jì)現(xiàn)在僅需一個元件即可，因此可以大大簡化以前復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，提高工作效率。
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