優(yōu)化儀表信號鏈，降低成本并提高性能

高效的信號采集，對于從工業(yè)過程控制和測量到高速通信和成像的各種應(yīng)用而言，都是至關(guān)重要的。在范圍如此廣泛的應(yīng)用中，都需要將適當(dāng)?shù)慕M件與任務(wù)相匹配，才能構(gòu)造出以最低成本滿足性能要求的信號鏈。目前，為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 服務(wù)的深度嵌入式傳感器系統(tǒng)正呈現(xiàn)預(yù)期中的激增態(tài)勢，因而這種成本和性能的平衡就變得更加重要。隨著時間推移，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到百億量級，如果在信號鏈的每個階段都能減少一定的成本，那么整體上的節(jié)省將會非?？捎^。

對于設(shè)計(jì)人員而言，建立一個有效的信號鏈，就意味著要平衡每個階段中各個元件的規(guī)格，以滿足整個信號鏈的目標(biāo)性能水平。雖然有些應(yīng)用需要規(guī)格極高的設(shè)備，但設(shè)計(jì)人員通?？梢允褂酶叱杀拘б娴脑纯蓪?shí)現(xiàn)性能和功能水平滿足所需的信號鏈。

就最基本的形式而言，信號采集電路最好只包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 這一個元器件，用于將來自傳感器或其他來源的模擬輸入信號數(shù)字化。然而，對于任何實(shí)際應(yīng)用來說，這種簡單的方法并不適用于現(xiàn)實(shí)世界的信號，這就對包括放大和過濾在內(nèi)的信號調(diào)理提出了進(jìn)一步要求（圖2）。對于使用有源傳感器的應(yīng)用，需要在前端使用額外的元件，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、精密電壓基準(zhǔn)和放大器，以提供傳感器所需的激勵電流或電壓水平。

圖2：在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之前，典型的模擬信號鏈需要進(jìn)行調(diào)理，以補(bǔ)償小信號輸入、信號偏移以及特定于各種應(yīng)用的其他信號特性（圖源：Maxim Integrated）

信號調(diào)理

通常情況下，傳感器產(chǎn)生的信號振幅較小。在不經(jīng)過放大的情況下，這些信號只能利用到ADC全動態(tài)范圍的一部分，因而很可能由于ADC分辨率有限以及更容易受到轉(zhuǎn)換器量化誤差的影響，進(jìn)而導(dǎo)致信號細(xì)節(jié)丟失。因此，設(shè)計(jì)人員通常需要加入一個模擬前端 (AFE) 放大器階段，來增加輸入信號的跨度，以匹配ADC的全動態(tài)范圍。輸入放大器還可以確保傳感器保持適當(dāng)?shù)呢?fù)載，同時還可以緩沖前端在信號采樣時出現(xiàn)的負(fù)載瞬變現(xiàn)象，這種現(xiàn)象存在于某些類型ADC的輸入端。

工程師可以選用各種各樣功能和性能各異的放大器。雖然人們會自然傾向于尋找性能規(guī)格盡可能高的放大器，但工程師可以在充分了解放大器的規(guī)格后，將之與輸入信號的特性和所需的輸出分辨率進(jìn)行嚴(yán)格比較，從而顯著降低設(shè)計(jì)成本。例如，當(dāng)儀表放大器 (IA) 需要處理的信號變化速率很慢，并且幅度遠(yuǎn)高于本底噪聲時，如果還一味地追求盡可能快的壓擺率和盡可能低的噪聲，就可能會增加很多不必要的開支。同樣，對于線性度規(guī)格非常出色的放大器，雖然它的最終效果顯然會好于精確度剛好的ADC，但后者的量化誤差即便明顯大于前者，也完全有可能滿足信號鏈的整體性能要求。

根據(jù)信號特性和應(yīng)用需求，工程師在面臨更嚴(yán)格的要求時，可以選擇各種全功能放大器，如高精度IA、低噪聲放大器 (LNA) 和可編程增益放大器 (PGA)，但傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的性能特性依然適用于大多數(shù)應(yīng)用。例如，軌至軌輸入/輸出 (RRIO) 低噪聲運(yùn)算放大器，包括Analog Devices AD850x、Maxim Integrated MAX963x和Texas Instruments OPA320系列等產(chǎn)品，都提供了一種相對低成本的選擇，能夠在多種類型的信號采集應(yīng)用中盡可能增加動態(tài)范圍、減小噪聲。

雖然傳統(tǒng)的單端輸入放大器足以滿足許多應(yīng)用，但對不少的信號采集應(yīng)用而言，良好的共模抑制是一項(xiàng)關(guān)鍵要求，因而需要使用差分輸入。例如，使用橋式傳感器的應(yīng)用以及在非常嘈雜的環(huán)境中工作的設(shè)計(jì)，就需要由具有全差分輸入的放大器來提供高共模抑制特性。事實(shí)上，一些差分放大器，如Analog Devices AD8476和Texas Instruments THS4531，就是專門為滿足差分信號調(diào)理要求而設(shè)計(jì)的，并且還包含旨在簡化與ADC對接的功能。除了ADC接口選項(xiàng)外，Analog Devices AD8476中集成的激光微調(diào)電阻等功能還有助于減少信號鏈設(shè)計(jì)中的元器件數(shù)量并降低成本（圖3）。

圖3：諸如Analog Devices AD8476等差分放大器具有集成的激光微調(diào)功能和根據(jù)ADC接口要求調(diào)整的輸出能力，有助于簡化具有差分輸入要求的信號鏈的設(shè)計(jì)。

雖然放大延長了輸入信號的跨度，但也加劇了信號的噪聲特性，這一問題顯著地限制了動態(tài)范圍。因此，信號鏈通常需要在轉(zhuǎn)換前加入一個濾波階段，以限制需要處理的信號以外的頻率的噪聲影響。

對于靈活性要求很高的應(yīng)用，工程師可以使用數(shù)字電位計(jì)（如Maxim Integrated MAX540x和Texas Instruments TPL0102系列）來構(gòu)建這些濾波器，并通過簡單的控制邏輯或主機(jī)MCU來驅(qū)動它們。不過，對于信號特性相對穩(wěn)定的應(yīng)用，簡單的無源元件通常就可以滿足設(shè)計(jì)所需的過濾要求。

在噪聲帶寬限制問題之外，信號鏈中通常還需要使用抗混疊濾波器，以減少在高于采樣率一半的頻率中出現(xiàn)的采樣偽影。隨著過采樣轉(zhuǎn)換方法的出現(xiàn)，對這一階段的需求已經(jīng)大大減少。

信號轉(zhuǎn)換

由放大器和濾波器組成的信號調(diào)理電路的唯一目的，就是為ADC的輸入提供干凈的信號。因此，這些前端元件的復(fù)雜性和性能規(guī)格主要取決于ADC的特性和要求。如果信號鏈只需要對變化緩慢的信號進(jìn)行低分辨率的轉(zhuǎn)換，就完全不需要花費(fèi)不必要的開支來采用昂貴的高精度放大器。

在實(shí)際應(yīng)用中，如何選擇最合適的ADC以及所需的信號調(diào)理元件，反過來又取決于對輸入信號的特性和應(yīng)用的整體功能要求的仔細(xì)分析。定期測量環(huán)境溫度變化的信號鏈與為關(guān)鍵任務(wù)的過程控制提供即時反饋的信號鏈相比，它們的精度（以及成本）是有很大區(qū)別的。事實(shí)上，ADC的選擇通常取決于對信號轉(zhuǎn)換吞吐量和延遲時間（從信號采集開始到ADC在其輸出上提供相應(yīng)數(shù)據(jù)的時間）的要求。

工程師們可以從旨在提供截然不同性能水平的ADC架構(gòu)中汲取經(jīng)驗(yàn)。每個架構(gòu)都為實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低延遲提供了固有的能力，也帶來了固有的限制。例如，flash ADC架構(gòu)通常具有非常高的吞吐量和非常低的延遲，但通常只在較低位的分辨率下具有成本效益。包括Analog Devices AD782x和Texas Instruments TLC0820在內(nèi)的flash ADC均使用轉(zhuǎn)換元件并行配置來執(zhí)行高速轉(zhuǎn)換。它們的高吞吐量和低延遲使之成為不能容忍顯著延遲情況下（例如語音編碼應(yīng)用）的理想選擇。

相比之下，逐次逼近寄存器 (SAR) ADC和sigma-delta (ΣΔ) ADC則為多種要求和應(yīng)用提供了具有成本效益的性能。SAR ADC已經(jīng)成為大多數(shù)中高分辨率應(yīng)用的主要選擇。這些器件在一個周期內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，使它們適用于對延遲時間要求非常高的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，如控制回路、電源監(jiān)測和信號分析。

ΣΔ型ADC由于其固有的過采樣架構(gòu)，通?？梢詾楦叻直媛兽D(zhuǎn)換提供低成本的選擇。但另一方面，傳統(tǒng)ΣΔ ADC中相對較慢的穩(wěn)定時間和內(nèi)部數(shù)字濾波器的急劇截止，限制了它們在某些應(yīng)用中的使用。因此，即使在ΣΔ ADC的性能已經(jīng)足夠的情況下，設(shè)計(jì)人員有時依然會選擇SAR ADC。例如，由于擔(dān)心傳統(tǒng)ΣΔ轉(zhuǎn)換器的性能，SAR ADC一直是控制環(huán)路和多路復(fù)用應(yīng)用的首選。

反饋延遲會在工業(yè)過程、家用電器或汽車控制環(huán)路中造成不穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)人員有時寧可選擇SAR ADC，也不愿去冒ΣΔ ADC的較長延遲帶來的風(fēng)險。不過，在信號相對較慢的控制應(yīng)用中，ΣΔ ADC可預(yù)測的延遲對控制環(huán)路穩(wěn)定性的影響實(shí)際上可以忽略不計(jì)。

在多通道應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員往往會將多個輸入通道多路復(fù)用到一個ADC中，以節(jié)省成本、減小占位面積、減少整體元器件數(shù)量。對于這些設(shè)計(jì)，工程師們會基于傳統(tǒng)的擔(dān)憂而選用SAR ADC，他們擔(dān)心在下一個通道復(fù)用到ADC輸入之前，ΣΔ ADC可能無法足夠快地穩(wěn)定下來以完成轉(zhuǎn)換。然而，在許多傳感應(yīng)用中，被監(jiān)測的物理現(xiàn)象的變化率是遠(yuǎn)低于ΣΔ ADC的穩(wěn)定時間的，因此ΣΔ ADC可以很容易地勝任許多多路復(fù)用通道。

盡管傳統(tǒng)的ΣΔ ADC非常適合信號變化緩慢的應(yīng)用，但新型的ΣΔ ADC（如Texas Instruments ADS124x）具有更復(fù)雜的功能，可在很大程度上消除傳統(tǒng)的擔(dān)憂（圖4）。例如，新一代器件中更復(fù)雜的濾波技術(shù)使其輸出能夠以零周期延遲實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。因此，諸如TI ADS124x等24位ΣΔ ADC可以提供輸出速率高達(dá)2ksps的差分多路復(fù)用輸入。

圖4：TI ADS124x等24位ΣΔ ADC中的新技術(shù)消除了在低延遲設(shè)計(jì)中使用ΣΔ ADC以及與多路復(fù)用差分輸入一起使用時的許多傳統(tǒng)擔(dān)憂。

除了將ADC規(guī)格與應(yīng)用要求相匹配外，設(shè)計(jì)人員還可以通過考慮電壓基準(zhǔn)在應(yīng)用中的作用來進(jìn)一步優(yōu)化模擬信號鏈。通過提供穩(wěn)定的參考電壓，精密電壓基準(zhǔn)對于確保信號轉(zhuǎn)換的絕對精度至關(guān)重要。在電池供電設(shè)計(jì)或能量收集設(shè)計(jì)等應(yīng)用中，普遍認(rèn)為這些器件非常重要，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，電源電壓會隨著電池放電周期結(jié)束或采集的能量來源周期性變?nèi)醵l(fā)生波動。

對于不需要這種絕對精度水平的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以通過使用比率轉(zhuǎn)換方法來消除對精密電壓基準(zhǔn)的需求（圖5）。比率轉(zhuǎn)換的結(jié)果是參考電壓之比，該參考電壓通常為電源電壓或激勵電壓。通過這種方法，即使電源存在波動，ADC輸出也能保持比例輸出。

圖5：諸如Maxim Integrated MAX1415等ADC可以在比率模式下運(yùn)行，無需在信號轉(zhuǎn)換中使用精密電壓基準(zhǔn)。

數(shù)字域

ADC通常提供標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI兼容串行接口，用于將模擬信號鏈的輸出連接到MCU。當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)流入MCU時，設(shè)計(jì)人員可以使用在軟件或數(shù)字信號處理硬件中運(yùn)行的傳統(tǒng)濾波算法來提高信噪比，以實(shí)現(xiàn)更高的性能密集型應(yīng)用。

通過數(shù)字方式創(chuàng)建信噪比很高的截止和陷波濾波，非常有助于放寬模擬信號鏈中的要求。例如，設(shè)計(jì)人員可以選擇將濾波的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到數(shù)字域，而不是犧牲設(shè)計(jì)的占位面積來使用特定應(yīng)用中可能需要的更復(fù)雜的模擬濾波組件。當(dāng)然，軟件的復(fù)雜性增加，意味著需要在內(nèi)存和MCU性能方面提出更高的要求。

結(jié)語

要在諸多模擬信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換元件中找出性能規(guī)格可滿足苛刻的數(shù)據(jù)采集要求的產(chǎn)品，這對設(shè)計(jì)人員而言并不是一件難事。然而，對于許多應(yīng)用而言，信號鏈只需滿足應(yīng)用要求即可，并不需要全面采用各方面都具備最佳規(guī)格的元件。通過將ADC與轉(zhuǎn)換要求相匹配、將信號調(diào)理元件與ADC規(guī)格相匹配，工程師可以設(shè)計(jì)出能夠輕松滿足性能和成本目標(biāo)的信號鏈。

審核編輯：郭婷