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可編程增益放大器MCP6S2X在多路信號采集中的應用
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用、信號采集、A／D轉換驅動和信號測量系統中。文中介紹了MCP6S2X系列的結構和功能，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。最后給出了一個MCP6S2X的實用電路。關鍵詞：MCP6S2X；程控增益放大器；多路信號采集
在實際的電路應用中,模擬信號的采集是一個重要環節。工業控制一般需要采集各種現場參數（如溫度、壓力、流量等），并對這些參數進行處理。往往比較難處理的是信號采集部分。隨著微電子技術的發展，數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據采集到微處理器中。
在許多嵌入式設計中，微控制器或者數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。這些模擬信號往往需要先經過某種處理（例如濾波、緩沖、或者放大），然后處理器才能精確地對它們進行轉換，至少要把信號放大到系統能夠使用的電平。因此，選擇合適的元器件將會對電路的設計起到事半功倍的作用。
ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司推出的可編程增益放大器(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，從而可以協助用戶有效地提升系統的數碼仿真控制效能。新器件專供各種工業和儀器市場以及信號和傳感處理領域使用。新款ＭＣＰ６Ｓ２ｘ系列器件除可提供放大器功能外，還可為系統設計提供數碼控制效能，用戶可在ＳＰＩ總線上對系統進行編程，并可通過有效控制增益和選擇輸入信道來得到更大的設計靈活性。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省機板空間。
１ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ芯片的功能和參數
ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司的ＭＣＰ６Ｓ２１／２／６／８是模擬增益可編程運放(ＰＧＡ)芯片。該芯片的增益可設置為＋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助系統進行仿真信號路徑的校準，以提高時間和溫度的準確度。該器件寬廣的頻帶特別適用于以較低電流運行的放大器，并可減少產品對電源功率的需求。
１．１芯片引腳定義
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電源負端VDD電源正端SCKSPI時鐘輸入SISPI串行數據輸入SOSPI串行數據輸出CSSPI片選VREF外部參考電壓
１．２特性參數
●輸入通道數: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）；
●穩定時間：２００ｎｓ；
●單電源供電電壓:２．５Ｖ～５．５Ｖ；
●工作溫度范圍：－４０～８５℃。
２工作原理
ＭＣＰ６Ｓ２８芯片的內部結構圖（其它類似）如圖２所示。由圖可見，ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ芯片內部由一些簡單的功能模塊構成，可共同完成多路選擇、可變增益調節等功能。ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ具有多路選擇輸入（ＭＵＸ）模塊，共有八路輸入，可由軟件設置通道選擇。不用的輸入引腳應懸空，以使輸入電流最小。當然，接ＶＤＤ或ＶＳＳ時，芯片也能正常工作?但輸入電流會變大。
內部運放部分主要由運放、增益轉換器、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、上電復位、控制指令和數據讀寫以完成通路選擇和增益控制等功能。上電復位電路ＰＯＲ（Ｐｏｗｅｒ－ＯｎＲｅｓｅｔ）的功能是：當電源電壓低于ＰＯＲ的限定電壓時?ＶＤＤ＜ＶＰＯＲ≈１．７Ｖ?，使內部ＰＯＲ電路復位所有的內部寄存器，并使芯片運行在關機模式下。當ＶＤＤ大于ＶＰＯＲ時，ＰＯＲ又使芯片恢復正常。另外，用ＭＣＰ６Ｓ２６、ＭＣＰ６Ｓ２８還可以實現多個芯片的連接，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
在傳統的電路設計中，每個模擬信號需用一個運算放大器進行電壓調節和阻抗匹配，然后送到處理電路（參見圖３）。這樣，在處理４路模擬信號的傳統設計中，最少需要４個運算放大器、８個電阻、并需占用處理器４個Ｉ／Ｏ引腳(片內含采樣保持Ａ／Ｄ轉換)。
為了克服傳統設計的缺點，可采用多路復用方式，這是目前最常用的方式。但應注意，很多信號并不需要連續不斷地測量，所以可使用非同時進行采樣的方案。在需要使用高性能運算放大器的設計中，如果采用非同時進行采樣的方案，則可用一個運算放大器，然后在它前面接一個多路復用器（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，多路復用器就會按照處理要求，把各路模擬信號接到運放上去。其實現方案如圖４所示。
使用多路復用器可以減輕傳統系統設計中存在的問題。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算放大器即可。
該方案由于減少了元件的數量，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量。有些比較新的器件看起來較為經濟有效，但是控制起來并不容易，所以并不適合現代嵌入式控制系統使用。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，這種系統所用器件比較多，不利于進一步提高集成度，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。如果系統發現信號太弱，處理器就可以增大這個信號的增益。當信號達到較高的電平時，處理器則可以降低增益。圖５是采用ＭＣＰ６Ｓ２ｘ系列器件進行設計的方案示意圖。
４應用電路
圖６為ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ系列芯片的應用硬件連接圖?筆者在設計“工藝對象仿真裝置”數據采集板時?項目要求對加熱爐對象進行仿真?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，也要有擾動信號（隨機干擾和確定性干擾）。該對象的多個輸入參數被采集到單片機中后，單片機將根據該對象的傳遞函數進行處理或通過串口將數據傳到計算機中進行處理?并最后輸出仿真結果。
本設計采用６通道的ＭＣＰ６Ｓ２６來進行，因為ＡＴ８９Ｃ５２單片機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，應使用軟件模擬三線制串行總線來操作，包括串行時鐘、數據輸入和數據輸出。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模擬數據輸入端ＳＩ，Ｐ１．５模擬數據輸出端ＳＯ。為節約單片機的Ｉ／Ｏ口，設計中還選用了串行總線（Ｉ２Ｃ總線）Ａ／Ｄ轉換芯片ＴＬＣ０８３２。
對ＭＣＰ６Ｓ２６進行操作的控制字節和數據字節均從ＳＩ引腳輸入，并在寫入數據的串行時鐘（ＳＣＫ）上升沿被鎖存。從芯片讀取的數據則從ＳＯ引腳串行移出，并在串行時鐘的下降沿輸出。整個數據交換期間，ＣＳ必須保持低電平。
５結論
ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可編程放大器特別適用于多路信號采集電路的設計，因而可廣泛應用于Ａ／Ｄ轉換驅動控制、數據采集、測試設備、多路傳輸模擬應用、工業以及醫療儀器等方面。由于處理器是通過軟件對模擬信號電路進行控制，所以其適應性和靈活性很高。采用ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可編程放大器時，原來需要較多元件的設計現在僅需一個元件即可，因此可以大大簡化以前復雜的電路設計，提高工作效率。
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