摘要：MCP6S2X系列是Microchip Technology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(hào)采集,、A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)和信號(hào)測(cè)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(hào)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(gè)MCP6S2X的實(shí)用電路,。 關(guān)鍵詞：MCP6S2X,；程控增益放大器；多路信號(hào)采集 在實(shí)際的電路應(yīng)用中,模擬信號(hào)的采集是一個(gè)重要環(huán)節(jié),。 工業(yè)控制一般需要采集各種現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)（如溫度,、壓力、流量等）,，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行處理,。往往比較難處理的是信號(hào)采集部分。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,，數(shù)字信號(hào)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(hào)處理器需要處理若干個(gè)模擬信號(hào)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(hào)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(duì)它們進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，至少要把信號(hào)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(huì)對(duì)電路的設(shè)計(jì)起到事半功倍的作用,。 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司推出的可編程增益放大器(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ, 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(chǎng)以及信號(hào)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(duì)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,。 １?。停茫校叮樱玻匦酒墓δ芎蛥?shù) Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司的ＭＣＰ６Ｓ２１／２／６／８ 是模擬增益可編程運(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(shí)可減少對(duì)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(hào)路徑的多重信道還可協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)行仿真信號(hào)路徑的校準(zhǔn),，以提高時(shí)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(duì)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1 MCP6S2X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 SCK SPI時(shí)鐘輸入 SI SPI串行數(shù)據(jù)輸入 SO SPI串行數(shù)據(jù)輸出 CS SPI片選 VREF 外部參考電壓１．２ 特性參數(shù) ●輸入通道數(shù): １、２,、６或８?jìng)€(gè)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:%26;#177;１％(最大),； ●偏移低:%26;#177;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(shí)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(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(jiǎn)單的功能模塊構(gòu)成,，可共同完成多路選擇,、可變?cè)鲆嬲{(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(shí)，芯片也能正常工作但輸入電流會(huì)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(hào)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(hào),、同步時(shí)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－Ｏｎ Ｒｅｓｅｔ）的功能是：當(dāng)電源電壓低于ＰＯＲ的限定電壓時(shí)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(shí)，ＰＯＲ又使芯片恢復(fù)正常,。另外,，用ＭＣＰ６Ｓ２６、ＭＣＰ６Ｓ２８還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片的連接,，其連接形式為串行接口方式,。多片連接時(shí)，前一個(gè)芯片的ＳＯ引腳應(yīng)連到后一個(gè)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(gè)模擬信號(hào)需用一個(gè)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(hào)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，最少需要４個(gè)運(yùn)算放大器、８?jìng)€(gè)電阻,、并需占用處理器４個(gè)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(hào)并不需要連續(xù)不斷地測(cè)量，所以可使用非同時(shí)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(shí)進(jìn)行采樣的方案，則可用一個(gè)運(yùn)算放大器,，然后在它前面接一個(gè)多路復(fù)用器（ＭＵＸ）,，再通過它把幾路模擬信號(hào)接到一個(gè)共用的放大器上。這樣,，多路復(fù)用器就會(huì)按照處理要求,，把各路模擬信號(hào)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(gè)，所有需要放大的信號(hào)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(shí),，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(hào),，這些器件在接到處理器上時(shí),，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(duì)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(hào)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(hào)接到處理器，同時(shí)也可以改變放大器的增益,。這樣,，就有可能改變每一路信號(hào)的增益，而且可以在處理信號(hào)的同時(shí)改變?cè)鲆妗Ｈ绻到y(tǒng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)太弱,，處理器就可以增大這個(gè)信號(hào)的增益,。當(dāng)信號(hào)達(dá)到較高的電平時(shí)，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,。 ４　應(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(duì)象仿真裝置”數(shù)據(jù)采集板時(shí)項(xiàng)目要求對(duì)加熱爐對(duì)象進(jìn)行仿真該對(duì)象為多輸入多輸出對(duì)象，它不僅需要輸入溫度,、壓力等參數(shù),，也要有擾動(dòng)信號(hào)（隨機(jī)干擾和確定性干擾）。該對(duì)象的多個(gè)輸入?yún)?shù)被采集到單片機(jī)中后,，單片機(jī)將根據(jù)該對(duì)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(shí)，應(yīng)使用軟件模擬三線制串行總線來操作,，包括串行時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)鐘的下降沿輸出,。整個(gè)數(shù)據(jù)交換期間，ＣＳ必須保持低電平,。 ５　結(jié)論 ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可編程放大器特別適用于多路信號(hào)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(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集,、測(cè)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(duì)模擬信號(hào)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(shí)，原來需要較多元件的設(shè)計(jì)現(xiàn)在僅需一個(gè)元件即可,，因此可以大大簡(jiǎn)化以前復(fù)雜的電路設(shè)計(jì),，提高工作效率。