隨著工業自動化向更緊密集成、更多信道數量和更以數據為中心的運營演進，數據采集的角色也發生了轉變。模數轉換器（ADC）曾經是簡單的采樣組件，如今已成為復雜的子系統，必須與分布式傳感器接口，承受惡劣環境，并實時提供可靠的測量。

現代復用ADC——集成了通道選擇多路復用器、可編程增益放大器、濾波模塊以及日益復雜的診斷技術的設備——已成為過程控制的關鍵技術，實現了可擴展、經濟且高密度的信號采集。

多路復用ADC在過程控制中的作用是什么？

從化工和石化工廠到水處理系統、發電、采礦和離散制造的工業過程，都依賴大量模擬測量。這些包括溫度（電阻溫度檢測器[RTDs]、熱電偶）、壓力（橋式傳感器、壓阻元件）、流動（差壓、科氏傳感器）、電平（超聲波、電容、雷達模擬讀數）以及電壓和電流（發射器、感應傳感器）。

在傳統系統中，每個傳感器通常需要一個數字轉換器（ADC）、調節鏈和通道接口。這意味著成本高昂、占地面積大且靈活性有限。

現代多路復用ADC可通過共享轉換器核心服務數十個傳感器，大幅減少板空間、功耗、每通道成本和校準開銷。由于過程控制越來越需要數字化，更貼近現場，復用ADC使得在智能發射機、分布式I/O節點和邊緣控制單元中嵌入多通道測量變得更容易。

現代復用ADC的技術優勢

首先，高集成度降低了系統復雜度。如今的多路復用ADC集成了輸入多路復用器（8至128通道）、低噪聲可編程增益放大器（PGA）、數字和模擬濾波器、傳感器激勵電路、開線檢測、引線斷開和短路檢測，甚至內置校準引擎。

多路復用器使用單個ADC快速切換多個模擬信號，一次路由一個信號進行數字化。可編程增益放大器（PGA）對每個輸入通道的模擬信號進行調控，使其能夠最大限度地利用ADC可用的測量范圍。

這種整合減少了物料清單（BOM）規模，確保通道切換、縮放和錯誤處理在整個測量鏈中表現一致。

ADC還具有較低功耗以實現高信道密度。制造商優化了轉換器磁芯，使每個轉換步驟的功耗降低，使得使用電池供電或能量采集現場設備、緊湊型分布式I/O模塊（無需激進冷卻）以及按信道進行功率擴展，具體取決于采樣需求。

許多現代轉換器還采用“突發模式”采集，快速轉換并進入睡眠狀態——非常適合緩慢變化的過程變量。

現代復用ADC還提供了更高的精度和更好的噪聲表現。它們通常利用∑-Δ（σ-δ）轉換、斬波穩定的PGA、低漂移參考緩沖器和過采樣濾波器。

這提供了更高的有效分辨率——通常為18到24位——對于許多傳感器類型無需外部信號調控。憑借設計良好的抗鋸齒濾波器和精心的PCB布局，復用ADC可以與多轉換器系統媲美。較老的ADC多路復用器在頻道切換后穩定時間較長。新設計提供了可編程的數字濾波器窗口，優化通道序列，快速穩定模式用于階躍輸入，以及每通道的濾波器調諧以適應混合速度輸入。這使得混合工作負載能夠實現，例如振動或電機電流通道的快速采樣，或溫度或壓力通道的慢采樣——全部在單一設備上實現。現代設備通常提供靈活的傳感器接口，可能包括RTD（2線、3線、4線配置）、熱電偶（冷結補償支持）、橋式傳感器（應變、壓力）、4至20毫安發射機（帶內部并聯集成）以及一般電壓和電流測量的硬件和固件支持。這種多功能性使得單一多路復用器/ADC解決方案能夠處理整個過程滑軌或模塊化I/O模塊化。最后，現代ADC通常內置診斷和安全功能。對于流程工業——尤其是在化工、石油天然氣和電力系統領域——診斷對于安全完整性等級（SIL）至關重要。典型產品包括每通道故障檢測、傳感器開路和傳感器短路檢測、數據輸出的CRC保護、看門狗計時器、參考監控以及內部溫度傳感器。

這些能力在配合適當的微控制器診斷時支持 IEC 61508/SIL2+ 架構。

如何選擇合適的多路復用ADC？

選擇多路復用ADC涉及若干關鍵工程考量，涵蓋可擴展性和轉換架構等主題。

1. 通道數量與可擴展性

考慮一個隨著系統增長而擴展的ADC家族。提問：

• 廠商有沒有提供帶有更多通道的PIN兼容設備？

• 支持串聯或通道堆疊嗎？（在大型分布式I/O機架中，可串聯的∑-?設備減少布線擁塞，簡化電路板路由。）

2. 轉換架構：∑-? vs. SAR

∑-?（Sigma-Delta）

• 高分辨率（18位到24位）

• 非常適合處理緩慢運動的變量（溫度、壓力）

• 強噪聲抑制（對于快速瞬態測量效果差）

SAR（逐次近似）

• 快速（每信道最高可達多MSPS）

• 適合振動、電流控制和快速循環（通常分辨率較低，12到18位）

混合系統

• 許多工廠使用∑-?的ADC處理慢過程變量，使用SAR處理快速控制環路。

3. 多路復用器穩定時間

對于需要快速采樣多個通道的應用至關重要。評估：

• 內部切換瞬態

• 頻道更換后的PGA回應

• 每個通道所需的采集時間

• 全尺寸過渡期間的最壞情況沉降

考慮在預期傳感器特性下具有快速且可預測沉降行為的設備。

4. 輸入阻抗與傳感器兼容性

橋式傳感器和熱電偶偏好高輸入阻抗以減少加載誤差。4至20毫安的回路需要：

• 精密并聯電阻

• 與高共模電壓的隔離

• 強健瞬態保護

檢查ADC是否能容忍：

• ± 共模

• 高電磁干擾環境

• 誘發浪涌和靜電停電事件

5. 數字接口考慮

串行外設接口（SPI）最為常見，但較新的設備支持：

• I2C用于低速簡易

• 多通道吞吐量的高速SPI

• 適用于長距離電纜布線或噪聲環境的LVDS或JESD204式接口

查找：

• CRC保護的數據流

• 兼容噪聲工業背板的時鐘方案

• 支持電隔離

6. 穩健性、合規性和環境評級

在工藝工廠中，ADC會受到溫度漂移、振動、濕度、灰塵和電噪聲的影響。選擇設備，額定為：

• ?40至+125°C作

• IEC 61000-4 浪涌/靜電干擾/EMI 免疫

• ISO/IEC本質安全要求（如在危險區域）

• 可預測的漂移，跨越漫長壽命

過程控制應用的部署技巧

1. 傳感器激勵與接地

RTD和應變計需要穩定的激發。最佳實踐：

• 使用帶有內置電流源的ADC。

• 在ADC附近放置激勵-回波感應線。

• 通過使用星形接地或隔離前端來避免接地環路。

對于熱電偶，請確保：

• 冷結補償（CJC）具有準確性和熱穩定性。

• PCB 層間的熱梯度被最小化。

2. 抗鋸齒、濾波和過采樣

工藝環境處理來自泵、變頻器、電機和焊機的電磁干擾。

設計規則應始終包括為每個通道實現被動抗鋸齒濾波器，調整每個傳感器的數字濾波，利用過采樣提升信噪比而不更換硬件，以及將切換事件分散到不同序列以減少串擾。

3. 復用ADC的PCB布局

復用會增加信道耦合風險。

布局建議包括隔離模擬和數字接地、保持模擬線路較短（盡可能使用差分線）、保護高阻抗輸入的關鍵節點、物理上將高壓I/O與低電位傳感器線路分離，以及使用實心接地參考和低阻抗返回路徑。

4. 校準與自測

多路復用ADC受益于每通道偏移/增益校準、調試期間的系統級校準、利用內部參考進行定期在線校準，以及利用內置診斷工具發現漂移或接線故障。

許多制造商還內置自動校準發動機，并利用它們來減少停機時間。

5. 隔離與安全整合

對于分布式過程控制模塊，目標是在傳感器工作于高共模電位時隔離模擬前端，使用數字隔離器作為與主機CPU的串行外設接口（SPI）鏈路，并將ADC診斷與PLC/RTU邏輯結合以符合SIL標準。

隔離不僅提高了安全性，還減少了噪聲引起的測量誤差。

6. 供應商生態系統與固件支持

選擇制造商不僅僅是硅片。還要考慮開發套件的可用性;示例固件;長期可用性路線圖;數據手冊的準確性，尤其是漂移參數;在線支持和應用說明;以及易于集成進工業自動化堆棧。

多路復用ADC的領先廠商包括模擬器件（Analog Devices）、美信（Maxim Integrated，模擬器件）、微芯（Microchip）、瑞薩（Renesas）和德州儀器（Texas Instruments）。

總結

現代多路復用 ADC 是實現高密度、高可靠性過程控制的核心組件，其集成的模擬前端、診斷功能、濾波模塊以及靈活的通道時序控制，能夠幫助工程師降低系統復雜度，同時提升測量精度與魯棒性。

選型時需結合信號類型、精度要求、通道數量、環境條件、通信帶寬與診斷需求進行綜合評估。