ADG传感器 单片机ADC通道不够用怎么办？

单片机ADC通道不够用怎么办？

早在几天前，我写了一篇关于单片机IO口扩展的文章，接着有网友和我来讨论关于ADC扩展的问题了，关于这个问题，这篇文章有详细的讨论。

单片机ADC为何要扩展

现在的主流MCU都内置了不止一个多通道的ADC，可以满足我们平时的简单应用，这些简单应用是指应用在一些对模拟量采集速度不高，精度能接受的场合下。但是对于一些高精度，高速度的情况下，外置的专用ADC芯片仍然是我们必须要选择的，哪怕以很高的金钱成本为代价。这些高速，高精度的外置ADC由于某些原因，内部的通道很少，因此如何去尽可能地使用这些宝贵的资源对我们来说确实是一个问题。

需要采集多路高精度低速信号

如果你使用外置ADC的目的仅仅是为了获得一个高精度的采样值，而对采样的速度要求不是很高的话，用继电器进行多路切换那是一个很明智的选择。

比如，当你需要去监控多路温度的时候，由于温度终端采集对象的温度范围不确定，有可能到200多摄氏度，而且被采集温度处的接触面积有限，因此只能选用热电偶传感器做终端的传感器，因为热电偶传感器触电面积小，测温范围广，很适合上述要求。

那此时热电偶冷端的电信号采集就可以使用这种方案来做了，比如安捷伦数据采集器温度采集卡就是使用了上述的原理。

它将很多的测温线全部接入温度采集卡里面，而温度采集卡里面的ADC通道数量有限（一片四路的高精度ADC），而所接入的温度传感器热电偶线却有40根，对于这种应用，它将每根热电偶接入后先做模拟前置处理，然后将处理完成的信号接入到一个继电器上面，示意图如下。

具体工作流程是，先用逻辑选通电路打开第一路继电器，此时CH1的传感器信号经过模拟电路处理完成之后的电压通过继电器的选通就输入到了ADC_Chanel1进行AD转换，转换完成的电压存储下来。紧接这断开第一路继电器，打开第二路继电器，此时CH2的传感器信号经过模拟电路处理完成之后的电压经过第二路继电器输入到了ADC_Chanel1进行AD转换。循环此步骤，直到着10个通道全部循环一遍，第一轮AD采样就全部完成。接着再循环往复第二轮第三轮。因此当你在使用这个温度采集卡的时候，你会发现其内部的继电器"嗒嗒嗒"打开关闭的声音。

这种方式的好处就是当你有一片高精度ADC需要采集多个通道的低速信号的时候很有用，电路结构简单，继电器价格低廉，电路板设计也没有难度。缺点就是由于继电器内部归根到底是机械部件在运动，因此使用寿命有限。

模拟选通开关

在面对一些高速的多路通道模拟电压采集时，以上的继电器方式显然不适用了，因为继电器切换的速度根本就无法满足模拟通道的切换速度。因此我们需要选用一些模拟通道切换速度更快的器件，而这个器件的最好选择就是双电压模拟开关。常用的型号有ADG509，但是这个芯片即将停产，因此取代的型号有ADGS1414D。

ADGS1414D是一颗高速的模拟电压开关，其最大带宽可达150MHz。包含八个独立的单刀单掷开关。这些开关由一个串行外设接口 (SPI) 控制。SPI 具备可靠的错误检测功能，例如循环冗余校验码 (CRC) 错误检测、无效读/写地址检测以及 (SCLK) 计数错误检测。通过菊链模式可将多个 ADGS1414D 套件连接在一起。菊链模式可用最少数量的数字走线实现多套件配置。通过 ADGS1414D 的数字信号和电源路由可进一步提高通道密度。集成的无源组件消除了对外部无源组件的需求。ADGS1414D 适用于高密度开关应用，例如大型开关矩阵和扇出应用。在接通时，各个开关在两个方向上具有同等的传导性能，并且其输入信号范围可扩展至电源电压的水平。在断开状态下，达到电源电压水平的信号电平将被阻止。多功能引脚名称只能供其相关功能引用。

如果仅仅做一些对触发要求不高的多路高速电压信号采集时，只需要用这个芯片替换上述的继电器组即可实现要求。

采样保持器加模拟开关

但是，有一些应用对于多路模拟信号的采集有同时采样的要求，那么上述的两种方案就都无法满足了。

在很多的应用中，对于AD采样的需求是"多路同一时刻采样"。比如在做PMSM控制时的FOC算法，需要同时采集电机的电流电压，再如我做的微波行业，需要同一时刻去采集前向波和反向波检波后的包络信号，这种应用中，对同一时刻这个触发要求是很高的。比如，我们需要采集同一时刻微波的前向波和反向波包络时，其波形图如下所示：

为了应对以上的要求，必须在多路模拟开关之前对每一路信号增加一个采样保持器。采样-保持器(Sample/Hold)是能够完成以下任务的器件，简写为S/H。如果直接将模拟量送入AD转换器进行转换，则应考虑到任何一种AD 转换器都需要用一定的时间来完成量化及编码的操作。在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的参量需取自同一瞬时，而各参数的AD 转换又共享个芯片，所得到的几个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D 转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D 转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。

常用的采样保持器有AD783，它是一款高速单芯片采样保持放大器(SHA)，0.01%采集时间典型值为250 ns。其保持模式总谐波失真经过全面测试，输入频率最高达100 kHz。AD783配置为单位增益放大器，并采用已获专利的自校正架构，能够将保持模式误差降至最小，并确保器件整个温度范围内都能提供高精度。该器件独立自主，无需外部器件或调整。

因此，对于同时采样要求比较高的时候，我们可以用下面的多路AD采样。

当采样保持信号到来时，采样保持器SH1的输入信号和SH2的输入信号都会被保持住，然后再去依次选通ADGS1414D的通道1和通道2进行AD转换，依次往复即可。

当然上述的采样保持器的价格非常高，可以抵得上一片AD7606的价格了，使用时候要慎重。

适用于室内空气质量监测的VOC传感器TGS8100电路功能与优势

现代社会需求发生了很大的变化，在气体传感器方面，也不能局限于仅考虑为社会贡献安全·安心的气体报警器而止步不前，应当扩展成为构建更加舒适的生活、创建可持续发展社会而建功立业的设备。TGS8100应用先进的MEMS技术，使气体传感器在小型化与降耗节能方面成功实现了质的飞跃，这不但让从前难于设置气体传感器的小型设备有了应用的可能，就是与英特网等信息通信技术联系紧密的网络，也实现了充分利用气体传感器技术的可能。用户的创意与TGS8100的充分融合，一定可以满足社会上各种各样的应用需求，对有利于创建舒适生活的新产品、新技术与服务将应运而生。

电路功能与优势

图1所示电路利用金属氧化物传感器检测挥发性有机化合物组成的气体，从而测量室内空气质量。传感器由加热电阻和检测电阻组成。当加热检测电阻时，其值随不同气体的浓度而改变。

该电路利用12位电流输出数模转换器(DAC)来精密控制加热器电流，灵活的软件允许加热器采用如下四种工作模式中的一种：恒流、恒压、恒阻和恒温。

通过软件可选的五种范围电阻分压器，该电路能够测量广泛的检测电阻值。电路板还包含温度和湿度传感器，用于补偿气体浓度值。

图1.完整的单电源16位挥发性有机化合物检测器，采用金属氧化物传感器和12位电流输出DAC（简化原理图，未显示所有连接和去耦）

电路描述

该电路针对Figaro TGS8100传感器进行了优化，传感器由MOS检测芯片和集成加热器（利用MEMS技术形成于硅基板）构成。适当修改硬件和软件，便可使用其他MOS传感器。

测试是在气体腔中利用一氧化碳完成。结果与传感器数据手册规格进行了相关性分析。

加热器驱动器

ADN8810是一款12位电流源，可提供高达300 mA的可调输出电流。满量程电流通过两个输出检测电阻设置。这些电阻的选择和满量程电流的设置对板上安装的传感器的设计规格非常重要。满量程电流设置不得违反传感器最大额定值，以免发生故障。

使用41.2 Ω检测电阻，电路板的满量程电流设置为大约9.94 mA，这是TGS8100传感器的安全上限，其推荐工作电流为8 mA。满量程电流与检测电阻值存在如下关系：

未进行校准的ADN8810的满量程精度为1%。如果需要更高精度，可利用71.5 Ω或10 Ω精密电阻和P2跳线校准满量程电流输出。

所有工作模式（恒流、恒压、恒阻和恒温）为了维持指定参数的值，都要控制流经加热电阻的电流量，并利用AD7988-1模数转换器(ADC)测量加热器电压。

加热器电阻和加热器温度之间的关系

加热器电阻RH_T与加热器温度TH之间的关系可通过下式来表示：

从TGS8100数据手册获得如下标称值：VH = 1.8 V，T_0 = 20℃时RH_0 = 110 Ω。T_H = 360℃时，RH_T = 225 Ω。然后代入并求解上式，得到常数ALPHA = 0.003074。

可以重新整理该式，求得TH与RH的函数关系：

ALPHA

设置模式值之前，先确定环境温度T_A时的加热器实际电阻RH_A。为确定此值，将8 mA电流施加于加热器，并在施加电流后的20 μs内测量加热器电压(VH_A)。此时，加热器仍处于环境温度。环境温度时的加热器电阻根据RH_A = VH_A/8 mA计算。同时记录环境温度T_A和湿度HUM。

前面的等式必须稍加修改，因为实际环境温度T_A可能不同于数据手册值T_0 = 20℃。加上修正因子之后，两个等式变为：

加热器工作模式

下面详细说明加热器工作模式。

加热器恒压

加热器恒压模式是最常见的工作模式。TGS8100传感器的推荐电压为1.8 V ± 2%。一个迭代程序调整加热器电流IH，直至测得的加热器电压为1.8 V，然后根据RH_T = VH/IH计算对应的加热器电阻RH_T。对应的加热器温度可根据等式5计算。

加热器恒流

所需加热器电流IH在ADN8810DAC中设置。测量加热器电压VH。加热器电阻根据RH_T = VH/IH计算。对应的加热器温度根据等式5计算。

加热器恒温

对应于所需加热器温度TH的加热器电阻RH_T根据等式4计算。一个迭代程序调整加热器电流IH，并测量加热器电压VH，直至达到所需的加热器电阻VH/IH = RH_T。

加热器恒阻

一个迭代程序调整加热器电流IH，并测量加热器电压VH，直至达到所需的加热器电阻VH/IH = RH_T。对应的加热器温度根据等式5计算。

检测电阻测量

传感器检测元件的电阻值可以通过下式确定：

其中：

RS为检测元件的电阻。

VS为RS上的对地电压。

RG为分压器所用的范围设置电阻。

VREF为基准电压值(4.096 V)。

为了覆盖30 Ω至30 MΩ的RS范围，利用低压CMOS模拟多路复用器ADG758选择五个RG电阻中的一个。该电路使用S1至S5通道，对应的RG电阻值分别为8.87 kΩ、39.2 kΩ、110 kΩ、2.74 MΩ和33 MΩ。

利用分压器中的RG电阻以及RS和VREF，现在便可通过等式6确定检测电阻RS的值。

来自检测电阻分压器的输出电压被超低失调、漂移和偏置电流的运算放大器AD8628放大2倍以匹配AD7988-1 ADC的输入范围。

AD7988-1是一款低功耗、100 kSPS 16位逐次逼近型ADC，用于转换传感器加热和检测元件的电压读数。

ADG884是一款软件可选低压CMOS双通道单刀双掷开关，用于切换传感器加热和检测元件的电压读数。

ADR4540是一款超低噪声、低功耗基准电压源。它为ADN8810、AD7988-1和RG分压器网络产生高精度4.096 V基准电压，具有出色的温度稳定性和低输出噪声，功耗最大值仅950 μA。

ADP196是一款逻辑控制的高端功率开关，可通过ADICUP360的数字输入/输出引脚完全关断整个电路，将电路功耗降至400 µW。此特性利用数字输入/输出引脚实现电路板关断功能，使其成为出色的低功耗候选解决方案。

ADP124是一款低静态电流、低压差线性稳压器，用于提供AD7798-1的2.5 V电源电压。

该电路还在集成了板载Sensirion SHT30温度和湿度传感器，用于补偿气体浓度计算。

这些IC的组合为室内挥发性有机化合物监测应用提供了一种低功耗解决方案。

传感器电阻转换为气体浓度

TGS8100传感器数据手册给出了浓度与RS/R0的典型关系曲线，其中R0为无气体存在时的监测电阻值。一氧化碳气体(CO)的曲线可通过两个等式近似求得，取决于RS/R0比值。这些等式适用于1 ppm到100 ppm的CO浓度水平。

RS/R0介于0.05和0.6之间时：

加热器控制软件

CN-0395的演示软件显示了加热器在T_0或干净空气工作模式下的检测电阻读数，用于计算的电流检测电阻读数，以及算出的气体浓度。

加热器有四种工作模式：恒压、恒流、恒阻和恒温。

在恒压模式下，假设加热器初始电阻为225 Ω，通过计算误差电压并相应地调整输出电流来将所需加热器电压维持在0.5%精度。

如果误差不在指定容差范围内，则需将新的加热器电流设置到ADN8810中。新的加热器电流通过下式计算：

其中：

IH2为第二次迭代的加热器电流。

IH1为第一次迭代的加热器电流。

E1为第一次迭代的电压误差。

可能需要多次迭代才能使其落在所需电压范围内，但若误差在0.5%以内，则迭代结束。

传感器电阻测量软件

软件利用等式6测量传感器电阻RS。算法逐个尝试增益电阻范围，从最高范围(RG1 = 33 MΩ)开始，直至达到正确范围。确定RS之后，利用下一部分给出的等式将其转换为气体浓度。

测试结果

该电路在暴露于各种不同浓度CO气体的气体测试容器中进行了测试。为了实现不同浓度，一氧化碳按一定的比率与合成空气混合。气体混合物经过一个加湿器，净化后以1 ln/min的恒定速率通往气体测试容器，如图2所示。

图2.气体测试设置

对于测试设置，RS/R0与气体浓度结果的关系如图3中蓝色曲线所示。红色曲线显示的是利用等式7和等式8近似计算所预测的典型浓度值。100 ppm时RS/R0的差约为25%。

图3.实测RS/R0比值与CO气体浓度的关系

为了获得更精确的浓度结果，应利用已知浓度的目标气体在一个腔中校准系统。传感器差异、接触杂质引起的传感器污染、老化效应、温度、相对湿度、稳定时间和合成混合空气的纯度，都会影响最终结果。

获得一致结果的重要条件是让传感器在环境空气中稳定至少30分钟，并且先给加热器通电，再测量R0。在每种浓度水平下，必须同样给予充足的稳定时间。对于图3所示结果，R0稳定时间为1小时，每种浓度水平下的稳定时间为10分钟。延长稳定时间可能会提高精度。

电路板布局考量

应当精心考虑电路板上的电源和接地回路布局。印刷电路设计必须将模拟部分与数字部分分离。如果该电路所在系统有多个器件要求模拟地至数字地连接，则只能在一个点上进行连接。通过至少0.1 μF电容旁路所有器件的电源。这些旁路电容必须尽可能靠近器件，电容最好正对着器件。所选0.1 μF电容应当具有低有效串联电阻(ESR)和低有效串联电感(ESL)，例如陶瓷型电容。0.1 μF电容为瞬变电流提供低阻抗接地路径。电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗供电路径。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、接地和去耦技术（请参考教程MT-031——实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团和教程MT-101——去耦技术）。

如需获得包括原理图、布局布线和物料清单在内的EVAL-CN0395-ARDZ完整文档，请访问www.analog.com/CN0395-DesignSupport

常见变化

权衡复杂性和成本，可以用DAC控制的电流源取代ADN8810。

如需更高分辨率ADC，请使用AD7989-1。如需更高采样速率ADC，请使用AD7988-5或AD7989-5。

8:1多路复用器的另一个较佳选择是ADG5208F，其增加了防闩锁、过压检测和过压保护特性。

电路评估与测试

本电路使用EVAL-CN0395-ARDZ电路板和EVAL-ADICUP360。EVAL-CN0395-ARDZ利用Arduino兼容引脚叠加在EVAL-ADICUP360板上。

设备要求

需要以下设备：

开始使用

将示例代码载入EVAL-ADICUP360 IDE，请按照EVAL-ADICUP360工具链设置用户指南中的说明操作。

功能框图

图4所示为测试设置的功能框图。

图4.测试设置功能框图

设置

连接EVAL-CN0395-ARDZ，利用Arduino兼容接头和对应接头将其安装在EVAL-ADICUP360板上方。然后将USB电缆从EVAL-ADICUP360的调试端口连接到PC的USB端口。

测试

示例代码经编译并加载到EVAL-ADICUP360上且将EVAL-CN0395-ARDZ安装在上面之后，器件与PC通信并显示各通道的读数。为测试该电路，可将电路板暴露在干净空气中以获得初始读数，然后暴露在不同浓度的挥发性有机化合物气体中。

图5显示EVAL-CN0395-ARDZ电路评估板的实物照片。

图5.EVAL-CN0395-ARDZ电路评估板

相关问答

[回答]首先确定采用传感器的形式。压力、温度传感器有两种,一种是电阻或电压或电流信号形式的抄,经过调理后,需要AD采样,另外一种可以选择数字式的,有通信...

[回答]位移传感器,其作用就是测量位移变化或者位置定位,手机接打电复话时锁屏功能就是依托内部的位移传感器实现的。位制移传感器种类很多,大部分是用在工...

[回答]找就武汉英特玛机电工程有限公司,{{:company}}你值得拥有看下线束,插头有没有松动,线断【汽车有问题,问汽车大师。4S店专业技师,10分钟解决。】武...

[回答]地磅传感器的标准配置主要由承重传力机构(秤体)、高精度称重传感器、称重显示仪表三大主件组成,由此即可完成地磅基本的称重功能,也可根据不同用户...

某种意义上说能换,但是不建议私自更换,会严重影响手机整体的防水和其他传感器的工作有用(0)回复beacus7可以换啊,前提是你有匹配的原装外壳有用(0)回复要...

[回答]?深圳瑞安浩科技有限公司是一家致力于向国内外客户提供美容仪、电动牙刷、母婴关爱产品等方案设计、电子项目合作、控制板生产、测试等产品的专业研...

adgjmaa笔记本风扇异响原因:灰尘过多堵住了出风口,导致风扇声响比较大,建议到...1、水位传感器故障或者水少2、电机轴承磨损3、电容容量下降4、皮带故障如...

[回答]车削中心刀塔一般来说车削中心刀塔在换刀的历程之中,在刀盘转至下一个特定刀号前,除开刀架內部之轴相互连接器组需相互之间分离外,刀架驱动力推动轴...

[回答]蓝宙星球作为蓝宙旗下子品牌,一直致力于STEAM教育课程、教学教具的研发与推广,专门针对K12学生、教师、家长和学校进行STEAM教育内容输出平台。蓝宙...