多通道模拟量采集电路设计探讨*

江耿丰，张兴国，冯 丹

(北京控制工程研究所，北京100190)

多通道模拟量采集电路设计探讨*

江耿丰，张兴国，冯 丹

(北京控制工程研究所，北京100190)

介绍卫星使用的多通道模拟量采集电路的工作原理，重点阐述多通道模拟量采集电路设计中的3个关键点，包括防串电设计、放大一致性设计和通道信息采集时间设计.通过对3个关键点的分析和论证，给出了提高多通道模拟量采集电路性能的途径.

模拟量采集;一致性;通道切换

0 引 言

模拟量采集电路是卫星电子线路中广泛使用的一种功能电路，为了减少产品的体积和成本，在电路设计时通常采用共用信号放大器及模数转换电路的设计方案.如某卫星中心管理单元使用自动顺序采集电路实现了70路模拟量的顺序采集.设计实践表明:防串电设计、放大一致性设计和通道切换等待时间设计是标准化多通道模拟量采集电路需特别注意的3个关键点.若不注意把握此3个关键点，产品易出现设计上的问题，如某卫星驱动控制单元在研制过程中遇到模拟量通道串电问题，又如某卫星控制计算机在研制过程中遇到通道切换后信号建立时间过长的问题等.

本文将首先介绍多通道模拟量采集电路的工作原理，然后就接口防串电设计、放大倍数一致性设计、切换时间设计进行探讨，总结得出提高标准化多通道模拟量采集电路性能的途径.

1 模拟量采集电路原理

模拟信号的采集形式一般分为单端采集和双端采集两种［1］.本文以单端采集电路为例进行说明.采集多路模拟信号时，一般用多路模拟开关巡回检测的方式.利用多路开关(MUX)让多个被测对象共用信号放大及模数转换电路.当采集高速信号时，模－数(A/D)转换器前段还需加采样/保持(S/H)电路.通常希望输入到A/D转换器的信号能接近A/D转换器的满量程以保证转换精度，因此在模拟量输出端与A/D转换器之间应接入放大器以满足要求.

在卫星电子系统中，模拟量通常是缓变量，可不必额外设计采样/保持(S/H)电路.按照上述原理设计的多通道模拟量采集电路功能框图如图1所示.电路在工作时，多路开关依次选通各个模拟量通道，放大后经模数转换电路转化为数字量供软件获取.

图1 多通道模拟量采集电路功能框图Fig.1 Functional block diagram of multi-analog signals acquisition circuit

2 防串电设计

出于可靠性的考虑，卫星电子设备通常采用冷备份的设计方案，模拟量采集电路亦不例外.对于一接二的模拟量采集电路，存在未加电单机被信号输出方串电的可能性.

例如图1中的信号调理电路设计在部件内部，或者电路设计未包含信号调理部分，那么存在如图2所示的一种典型的串电通路.

图2 串电通路示意图Fig.2 Schematic diagram of collude-current

串电的潜通路是多路开关的保护二极管网络［2］.串电可能使电子设备处于非正常工作状态，必须加以抑制.防串电设计通常采用限流和反串二极管两种方式实现.

限流方法是在模拟量信号进多路开关之前串联一个合适阻值的电阻.假设单板静态阻抗为R0，输入串联电阻为R1，输入模拟量为Ui，输入信号源内阻为R2，忽略其他影响，则串电电压

实际接入模拟量采集电路输入端的电压

式(1)中忽略了多路开关内阻的影响，通常R0比较小，增大串联电阻R1，可有效减少串电电压.但由式(2)可知，如果信号内阻R2相对于R1不可忽略，采用串接电阻限流的方法会造成模拟量信号采集误差.

防串电的另一种常用方法是在多路开关电源端反向串二极管.但此法仅适用于输入端和电源端之间存在潜通路的多路开关电路.如果采集接口使用的多路开关器件存在其他通路，靠反串二极管和限流的防串电设计将复杂度将成倍提高.

图2中若多路开关为无防串电特性的16选1多路开关HI-506，在R1=1 kΩ，输入5 V信号的情况下，通常可在未加电单机测得存在1.5 V以上串电电压.将R1调整100 kΩ，并在多路开关电源端反串二极管之后，串电电压可控制在0.3 V以下.

综上所述，多通道模拟量采集电路防串电设计需注意选择无串电潜通路的多路开关芯片，如intersil公司的HS-1840ARH等.如必须使用有图2中所示串电潜通路的多路开关，则首先应考虑控制模拟量信号源的内阻，再考虑采用电阻串联和反串二极管的设计方法.

3 放大倍数一致性设计

模拟量采集电路的放大部分通常采用运放电路实现，为了减少运放对电路的影响，电路设计时需考虑选用输入失调电压小、温漂小、输入阻抗高、转换速率快的运算放大器.通常设计时前级采用同相放大器，可以获得很高的输入阻抗，后级采用差分放大器，可以获得较高的共模抑制比.

一个多通道模拟量采集电路应争取不同工作环境、不同通道下放大倍数的一致性［3-4］.由于共用一个放大电路和模数转换电路，此部分功能电路对不同通道的影响是一致的，而多路开关芯片由于不同通道之间特性不一致，会对不同通道放大倍数的一致性带来影响.

为了简化问题的分析难度，假设模拟量通道的放大电路是反向放大形式，单个模拟量采集电路可简化为如图3所示.

图3 单个通道放大电路简化图Fig.3 Simplified diagram of a single channel amplifying circuit

图3电路的放大倍数

式(3)中，Ro表示多路开关的导通内阻，R5=R1+R2.

在式(3)中分别对各参数求导，可得

式(4)～(6)说明了图4中所示模拟量采集电路放大倍数A的变化量ΔA与电阻R3、R5和多路开关导通电阻Ro之间的关系.如果A减小，R3、R5增大，ΔA会减小.故在元器件以及电路形式已选定的前提下，为了减少不同工况对放大电路一致性的影响，应尽量设计放大倍数A较小的放大电路，再选用较大阻值的电阻(如R3、R5)设计放大电路.

将式(4)和(5)再做变换得到

ΔA/A表示放大倍数的相对变化程度，式(7)、(8)衡量了电阻不稳定性ΔR5/R5和多路开关导通电阻不稳定性ΔRo/Ro对放大倍数不稳定性的影响.以温度影响为例，电阻阻值稳定性要远优于多路开关的导通电阻稳定性［4-5］.故在电路设计时，可考虑适当选择R5＞Ro，减少多路开关的导通电阻稳定性对放大电路放大倍数一致性的影响.

如图3中的放大电路设计目标是2倍放大，选择R3=20 kΩ，R5=10 kΩ和R3=200 kΩ，R5= 100 kΩ两种组合，Ro在10 Ω至1 kΩ之间变化，两种组合状态下放大倍数分别是1.818～1.998和1.98～1.999 8，第二组合结果明显优于第一组合.

4 信号采集时间设计

多通道模拟量采集电路要求每次通道切换后，等待一定的时间，再读取AD变换后的数值.

假设等待时间为t，则要求

其中，t0表示模－数转换时间;t1表示多路开关的传递时间;t2表示放大电路的信号稳定时间.

t0、t1由芯片本身决定，不受电路设计影响，t2取决于放大电路实际设计状态，可通过设计控制.下面探讨决定t2的相关因素.

假设放大电路设计为一阶低通放大的形式，如图3所示，运算放大器直流放大倍数为A0，上限频率f0，输入信号Ui(t)，输出信号Uo(t)，则输入输出之间的传递函数

上式中的t即为式(8)中的t2.

式(10)表明放大电路在输入发生跳变后，信号稳定时间t取决于3个参数:(1)上限频率f0;(2)跳变前电压U1;(3)跳变后电压U2.

第一项参数由电路确定，f0越大，等待时间越小.运算放大器一般均有固定的增益带宽积，可描述为Af0，A为放大电路放大倍数.减少放大倍数A，可减少等待时间.

第二、三项参数决定于外部输入，可以描述为输入信号变化幅度越大，需等待时间越长.图4给出了某电路在8.10 V输入阶跃信号和10.2 V输入阶跃信号下由示波器获取的输出波形.在8.1 V输入下上升时间要明显小于10.2 V输入条件下.

图4 不同输入幅度下切换波形比较Fig.4 Comparison of switching waveforms under different input amplitude

卫星电子线路在轨工作时可能需要采集几十路模拟量信号，过长的通道切换等待时间会对系统性能造成影响.在设计和使用多通道模拟量采集电路时，应注意减少放大电路的放大倍数(必要时可分为多级放大设计)，同时应注意通道切换前后的电压变化值，以减少通道等待时间.

5 结 论

多通道模拟量采集电路是卫星普遍使用的一种电子线路.本文通过分析多通道模拟量采集电路的工作原理，说明防串电设计、放大倍数一致性设计以及通道切换等待时间设计的三个关键点应注意的相关因素.本文分析与实验的结论表明通过控制电路中放大倍数设计、控制多路开关和运算放大器的选择、控制电阻电容参数的选择，可有效提高多通道模拟量采集电路的性能.

［1］王林涛.载人航天器浮地信号采集接口电路研究［J］.航天器环境工程，2011，28(6):545-550.WANG L T.Interface circuit for float grounding signal acquisition in manned spacecraft［J］.Spacecraft Environment Engineering，2011，28(6):545-550.

［2］朱正涌.半导体集成电路［M］.北京:清华大学出版社，2001.

［3］童诗白，华成英.模拟量电子技术基础［M］.3版.北京:高等教育出版社，2003.

［4］中国人民解放军总装备部.GJB 1432B—2009有可靠性指标的片式膜固定电阻器总规范［S］.北京:总装备部军标出版发行部，2009.

［5］Standard Microcircuit drawing.5962-95630 Microcircuit，linear，radiation hardened，single 16-channel analog mux/demux with overvoltage protection，monolithic silicon［S］.Columbus，Ohio:Defense supply center columbus，2006.

Discussion of Multi-Analog Signals Acquisition Circuit Design

JIANG Gengfeng，ZHANG Xingguo，FENG Dan
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

The multi-analog signals acquisition circuit being used in satellite is introduced.Then three key factors in design，including anti-current collude，amplify consistency and signal sample time are introduced.The conclusion can be used as a reference for the design of multi-analog acquisition circuit.

analog signals acquisition;consistency;channel switch

TN9

:A

:1674-1579(2016)01-0048-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.01.009

江耿丰(1982—)，男，高级工程师，研究方向为星载计算机总线技术;张兴国(1978—)，男，高级工程师，研究方向为星载计算机及电子产品设计;冯 丹(1983—)，女，高级工程师，研究方向为星载计算机及电子产品设计.

*国家自然科学基金资助项目(61502031).

2015-05-13