可配置模擬前端簡(jiǎn)化與數(shù)百個(gè)傳感器的接口

從手機(jī)到工業(yè)設(shè)備甚至醫(yī)療設(shè)備，傳感器在我們的智能設(shè)備中無(wú)處不在的使用增加了對(duì)更智能的傳感器技術(shù)的需求，這些技術(shù)更通用、更低的總體成本，并且需要更少的資源來(lái)開發(fā)和維護(hù)。

大多數(shù)模擬傳感器系統(tǒng)包含三個(gè)關(guān)鍵元素：測(cè)量特定形式能量的模擬傳感器、處理傳感器信號(hào)的數(shù)字等效物的微控制器 （MCU），以及它們之間的模擬前端 （AFE） 系統(tǒng)（圖 1 ）。AFE 接收傳感器的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換/轉(zhuǎn)換以供 MCU 使用，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，傳感器輸出信號(hào)不能直接連接到 MCU。

圖 1：模擬前端 （AFE） 轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)模擬傳感器信號(hào)以供 MCU 使用。

與當(dāng)前 AFE 設(shè)計(jì)方法相關(guān)的挑戰(zhàn)是耗時(shí)的試錯(cuò)調(diào)整過(guò)程，以及缺乏從單個(gè) AFE 支持多個(gè)傳感器的靈活性和可擴(kuò)展性。此外，許多 AFE 在生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有考慮傳感器漂移或調(diào)整傳感器微調(diào)，這直接降低了傳感器的質(zhì)量。然而，全新的完全可配置 AFE 技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠克服這些障礙。

AFE 的重要性

AFE 本身執(zhí)行多種功能，具體取決于應(yīng)用。AFE 的一項(xiàng)功能是放大微弱到 MCU 無(wú)法讀取的信號(hào)。AFE 電路采用放大器來(lái)提供比傳感器提供的電壓大數(shù)百或高達(dá)數(shù)千倍的輸出電壓。這通常使用運(yùn)算放大器來(lái)完成，運(yùn)算放大器的成本和功率會(huì)根據(jù)所需的特性而有很大差異。根據(jù)傳感器特性，AFE 放大器結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同。例如，如果傳感器輸出是差分且低阻抗的，則可以使用簡(jiǎn)單的差分輸入。另一方面，如果傳感器輸出是差分和高阻抗的，則可能需要更復(fù)雜的儀表放大器和匹配的高阻抗輸入。

AFE 的另一個(gè)功能是過(guò)濾來(lái)自傳感器的不需要的頻率范圍，例如，以滿足 Nyquist 限制或消除 DC 偏移。在將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之前，必須消除這種噪聲。AFE 必須采用低通濾波器電路來(lái)阻擋高頻噪聲和/或采用高通電路來(lái)消除低頻噪聲。

AFE 的第三個(gè)功能是將信號(hào)從一種信號(hào)類型轉(zhuǎn)換為另一種信號(hào)類型。例如，典型的傳感器輸出電壓，但有些輸出電流。MCU ADC 電路不接受電流輸入，因此這些電流必須在進(jìn)入 MCU 之前轉(zhuǎn)換為電壓。這種電流到電壓的轉(zhuǎn)換由 AFE 電路（稱為跨阻 （I/V） 電路）執(zhí)行，該電路還將產(chǎn)生的電壓放大到 MCU 可用的電平。

AFE 設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

大多數(shù) AFE 電路都是定制設(shè)計(jì)的，以滿足正在開發(fā)的特定系統(tǒng)的電氣要求。工程師必須設(shè)計(jì)電路，選擇合適的 IC 和無(wú)源元件，然后測(cè)試和調(diào)整生成的電路和 PCB 布局。在許多情況下，這需要試錯(cuò)法來(lái)校準(zhǔn)正確的模擬電路設(shè)計(jì)。這種迭代調(diào)整過(guò)程既耗時(shí)又耗費(fèi)資源，對(duì)開發(fā)成本和上市時(shí)間產(chǎn)生不利影響。此外，由于特定的組件行為、電路板布局和附近的噪聲源，AFE 通常難以仿真并且必須進(jìn)行調(diào)整。

支持多個(gè)傳感器的 AFE 電路的可擴(kuò)展性也有限或沒(méi)有可擴(kuò)展性，更不用說(shuō)多種類型的傳感器（即不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）。AFE 電路是為一個(gè)特定的傳感器設(shè)計(jì)的，因此即使使用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也很難將一個(gè)傳感器換成另一個(gè)使用相同 AFE 的傳感器。

最后，傳感器需要在生產(chǎn)過(guò)程中不斷調(diào)整——針對(duì)傳感器修整進(jìn)行調(diào)整——或者因?yàn)樗鼈儠?huì)隨著時(shí)間的推移而退化，并且在部署到現(xiàn)場(chǎng)后不容易被糾正。固定組件 AFE 設(shè)計(jì)無(wú)法校正傳感器漂移，也無(wú)法輕松調(diào)整傳感器微調(diào)。軟件支持的設(shè)計(jì)方法可以提供幫助。

讓我們來(lái)看看這些挑戰(zhàn)中的每一個(gè)。

可配置的 AFE 簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)試驗(yàn)和錯(cuò)誤

查看可用的數(shù)百種不同類型的傳感器，可以觀察到常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和信號(hào)特性范圍，并了解能夠簡(jiǎn)單地改變運(yùn)算放大器的特性或動(dòng)態(tài)改變?cè)鲆嬷?，將顯著降低復(fù)雜性并減少開發(fā)時(shí)間。

Renesas Smart Analog 技術(shù)就是一個(gè)完全可配置的 AFE 技術(shù)的例子，它支持這種能力。如圖 2 所示，這種技術(shù)包括五個(gè)要素：三個(gè)獨(dú)立的可配置放大器、一個(gè)具有同步檢測(cè)能力的附加放大器、一個(gè)通用運(yùn)算放大器、一個(gè)具有可變截止頻率的低通濾波器，最后是一個(gè)高通濾波器具有可變截止頻率。

圖 2：具有可選集成 MCU 的完全可配置 AFE 示意圖

設(shè)計(jì)工程師只需為這些不同的電路模塊設(shè)置主要參數(shù)，然后選擇這些模塊之間的連接，即可創(chuàng)建所需的定制 AFE 電路。三個(gè)高度可配置的放大器可用于生產(chǎn)定制的 I/V 跨阻轉(zhuǎn)換器/放大器、同相放大器、反相放大器、差分放大器或求和放大器。該芯片可以定制配置以實(shí)現(xiàn)一系列信號(hào)放大增益，并提供可調(diào)節(jié)的信號(hào)電壓偏移范圍。

此外，該 IC 中的放大器可配置為實(shí)現(xiàn)單通道、高阻抗儀表放大器。這種類型的差分放大器對(duì)于連接高阻抗傳感器（例如壓電類型）是必不可少的。

由于 AFE 負(fù)責(zé)放大/過(guò)濾/轉(zhuǎn)換來(lái)自傳感器的信號(hào)，MCU（內(nèi)部或外部設(shè)備）可以分析 AFE 信號(hào)以動(dòng)態(tài)更改增益值（即在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)）以補(bǔ)償變化在周圍環(huán)境中。這種“閉環(huán)”自調(diào)節(jié) AFE 結(jié)構(gòu)提供了更強(qiáng)大、更智能的傳感器接口。

集成的 AFE+MCU 設(shè)備提供了微調(diào)過(guò)程自動(dòng)化的額外好處，因?yàn)樗鼘⒆x取來(lái)自 AFE 的信號(hào)并將其與已知參數(shù)進(jìn)行比較，從而對(duì) AFE 進(jìn)行必要的調(diào)整，從而降低系統(tǒng)生產(chǎn)成本。同樣，MCU 可以自動(dòng)調(diào)整 AFE 增益，以抵消隨著傳感器退化而隨著時(shí)間的推移預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生的信號(hào)生成偏差。

可配置 AFE 提供可擴(kuò)展性

雖然可配置性對(duì)于降低復(fù)雜性和調(diào)試時(shí)間很重要，但另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素是可擴(kuò)展性。AFE 具有足夠的連接端子來(lái)容納通常需要的所有傳感器，從而消除了為每個(gè)傳感器配備單獨(dú)的 AFE 電路的傳統(tǒng)要求。通過(guò)一個(gè) AFE 處理整個(gè)傳感器陣列有助于縮小電路板，同時(shí)減少系統(tǒng)組件數(shù)量，同時(shí)將功耗降低多達(dá) 20%。事實(shí)上，由于這些 AFE 的接口簡(jiǎn)單（僅與 SPI 線和 MCU 的 ADC 通道相連），因此可以使用一個(gè) MCU 連接多達(dá) 96 個(gè)傳感器。

軟件支持的設(shè)計(jì)方法

極端的可配置性可能會(huì)帶來(lái)工具復(fù)雜性的負(fù)擔(dān)，因此擁有一個(gè)簡(jiǎn)單的基于軟件的設(shè)計(jì)工具非常重要，該工具可以針對(duì)特定應(yīng)用配置和定制 AFE 的特性。當(dāng)可以簡(jiǎn)單地設(shè)置 AFE 寄存器值并且拓?fù)洹⒃鲆?偏移值和特性都可以在軟件中完成時(shí)，設(shè)計(jì)人員不再需要了解硬件的最低級(jí)別，也不需要成為模擬專家。

此類工具應(yīng)在 PC 上運(yùn)行，并為選擇典型傳感器類型提供簡(jiǎn)單的方法，例如壓力、濕度、加速度、沖擊、磁性和壓電類型——支持多種拓?fù)浜吞匦?。Smart Analog 軟件提供了這種高度直觀的環(huán)境，設(shè)計(jì)人員可以在其中輕松設(shè)置參數(shù)、更改拓?fù)洹⑦M(jìn)行偏移調(diào)整，并能夠添加濾波器，當(dāng)然還可以訪問(wèn)信號(hào)引腳。

由于該工具本身已經(jīng)具有不同傳感器配置文件的庫(kù)，因此系統(tǒng)工程師很容易在他們的設(shè)計(jì)中找到一個(gè)起點(diǎn)。AFE 輸出信號(hào)的圖形表示可用于監(jiān)控具有接近實(shí)時(shí)反饋的系統(tǒng)，這將使 AFE 的調(diào)整和調(diào)諧變得非常容易。所有這些特性降低了開發(fā)的復(fù)雜性，從而降低了資源成本。

設(shè)置好配置后，該工具會(huì)輸出一個(gè)寄存器文件，可供 MCU 上的軟件使用。MCU 將傳感器設(shè)置存儲(chǔ)在其固件內(nèi)的片上閃存（非易失性）存儲(chǔ)器中，當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，MCU 將存儲(chǔ)的設(shè)置發(fā)送到智能模擬 IC 中的寄存器，從而相應(yīng)地重新配置該芯片。

簡(jiǎn)化 AFE 設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)

AFE 是傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，但有時(shí)卻被低估了。添加運(yùn)算放大器和濾波器的典型分立方法以及電阻器的試錯(cuò)焊接效率不高，調(diào)試和開發(fā)的時(shí)間成本很容易超過(guò)添加基于 MCU 的智能可配置 AFE 的成本。但并非所有可配置的 AFE 都是相同的。因此，重要的是要考慮 AFE 支持不同類型傳感器的靈活性和可擴(kuò)展性，以及“動(dòng)態(tài)”或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的智能。簡(jiǎn)單易用的軟件工具可以簡(jiǎn)化此過(guò)程，甚至團(tuán)隊(duì)中的非模擬專家也可以使用。

審核編輯：郭婷