談?wù)劯咝盘栨湹某杀炯靶阅軆?yōu)化

從工業(yè)過程控制和測量到高速通信和成像，高效的信號采集是各類應(yīng)用的基礎(chǔ)，如此寬廣范圍的應(yīng)用類別，要匹配適當(dāng)?shù)膽?yīng)用組件，創(chuàng)建一個(gè)信號鏈?zhǔn)侵陵P(guān)重要的，以便以盡可能低的成本滿足性能要求，但隨著嵌入式傳感器系統(tǒng)（給物聯(lián)網(wǎng)提供采集信號）有望大發(fā)展，平衡成本與性能也就變得更加重要了。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量預(yù)計(jì)達(dá)上百億，每級信號鏈上節(jié)省的資源匯總起來就可以節(jié)省驚人的資源。

對設(shè)計(jì)者來說，要從總體出發(fā)，建立一個(gè)高效的信號鏈意味著要平衡每個(gè)獨(dú)立組件規(guī)格，在信號鏈的每個(gè)階段都要達(dá)到目標(biāo)性能水平。然而有些應(yīng)用要求設(shè)備盡可能高的規(guī)格（如圖1），但是設(shè)計(jì)者可能經(jīng)常使用更具成本效益的組件，不過是要在達(dá)到性能和功能要求水平后創(chuàng)建完整的信號鏈。

圖1 ：高性能模擬組件，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多路復(fù)用器，能夠使CERN（歐洲核子研究組織）的LHC（大型量子對撞機(jī)）以最可能高的性能來測量磁場區(qū)域

在理想情況下，信號采集電路的大多數(shù)基本形式是只包含一個(gè)組件：模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），它將傳感器或其他輸入源輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然而，對于任何實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)實(shí)世界的信號不可能這么簡單，有進(jìn)一步信號調(diào)節(jié)的需要，包括信號放大和濾波（如圖2）。對于使用有源傳感器和額外組件（例如數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC））的應(yīng)用，需要在系統(tǒng)前端設(shè)置精確的參考電壓和放大器，以便為傳感器提供所要求大小的勵(lì)磁電流或者電壓。

圖2：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之前，典型的模擬信號鏈需要調(diào)節(jié)來彌補(bǔ)小信號輸入、信號補(bǔ)償和其他的每個(gè)應(yīng)用特有信號特征

信號調(diào)節(jié)

通常情況下，傳感器和換能器產(chǎn)生小振幅信號。如果沒有經(jīng)過放大，這些信號只能滿足ADC全部動(dòng)態(tài)范圍中一部分使用要求，由于ADC有限的分辨率和轉(zhuǎn)換器量化誤差影響，最有可能導(dǎo)致細(xì)節(jié)丟失。

因此，設(shè)計(jì)師通常需要一個(gè)模擬前端（AFE）放大器來增加輸入信號的幅度，以符合ADC全部動(dòng)態(tài)范圍需求。同樣重要的是，輸入放大器可以確保傳感器和換能器保持正確加載，同時(shí)也可以緩沖負(fù)載瞬間變化對前端的影響，當(dāng)信號采樣時(shí)，這種負(fù)載瞬變現(xiàn)象會出現(xiàn)在某些類型ADCs的輸入端。

工程師可以找到跨越較寬功能和性能范圍的放大器。盡管通常都是盡可能去找到一種可能具備最高性能的放大器，但是工程師可以通過嚴(yán)格的將放大器的規(guī)格與輸入信號的特征和要求的輸出分辨率進(jìn)行比較，然后可以大大降低設(shè)計(jì)成本。例如，當(dāng)信號慢速率變化并且在噪聲上保持很好時(shí)，采用帶有最快轉(zhuǎn)換速率和最低噪聲的儀表放大器（IA）則可能白白增加了成本，同樣的，具有最好線性規(guī)格的放大器可以簡單的超越ADC，提供足夠精確的結(jié)果，雖然有量化誤差，但從總體上看卻符合信號鏈的性能要求。

基于信號特征和應(yīng)用要求，工程師面臨更嚴(yán)格的要求，他們可以選擇各種功能齊全的放大器，例如高精確度的IA、低噪聲的放大器（LNA）和可編程增益放大器（PGA）。不過傳統(tǒng)放大器提供的性能特征適合大多數(shù)應(yīng)用。例如，軌到軌輸入輸出（RRIO）低噪聲放大器如亞德諾半導(dǎo)體公司的AD850x、美信公司的MAX963x和德州儀器公司的OPA320系列在信號采集廣泛的應(yīng)用中，能夠?qū)?dòng)態(tài)范圍擴(kuò)到最大，將噪聲降到最小，是降低成本的選擇。

盡管傳統(tǒng)的單端輸入放大器對很多的應(yīng)用已經(jīng)足夠了，但是很多信號采集應(yīng)用要求差分輸入，并且良好的共模抑制是其關(guān)鍵。例如，使用電橋傳感器的應(yīng)用或者在非常嘈雜環(huán)境下工作的設(shè)計(jì)，要求對放大器的差分輸入具有更高的共模抑制特性。實(shí)際上，一些差分放大器例如ADI公司的AD8476和德州儀器公司的THS4531就是為解決差分信號調(diào)節(jié)要求而專門設(shè)計(jì)的，包括為簡化ADCs接口而設(shè)計(jì)的功能。談到ADC接口，亞德諾半導(dǎo)體公司的AD8476內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的集成激光微調(diào)電阻可以幫助在信號鏈設(shè)計(jì)中減少組件數(shù)量和成本（如圖3）。

圖3：差分放大器例如ADI的AD8476帶有集成激光微調(diào)電阻，具有按ADC接口要求調(diào)整輸出能力，幫助簡化差分輸入要求的信號鏈設(shè)計(jì)

放大器雖然擴(kuò)展了輸入信號幅度，但同時(shí)也加劇了信號噪聲，限制了動(dòng)態(tài)范圍。因此信號鏈通常要在信號轉(zhuǎn)換之前設(shè)置濾波級，以此來限制有用信號頻率以外的噪聲影響。

對于要求最大靈活性的應(yīng)用，工程師可以使用數(shù)字電位器例如美信的MAX540x和德州儀器的TPL0102系列搭建濾波電路，使用簡單的控制邏輯或者通過上位機(jī)微控制器來驅(qū)動(dòng)它們。然而對于信號特征相對穩(wěn)定的應(yīng)用，簡單的無源組件就能夠滿足設(shè)計(jì)濾波的要求。除了噪聲帶寬限制問題，通常信號鏈要求使用抗鋸齒濾波器，以減少采樣誤差，不過過采樣轉(zhuǎn)換方法可以降低這級電路的需求。

信號轉(zhuǎn)換

信號調(diào)節(jié)電路包括放大器和濾波器，設(shè)計(jì)的目的只有一個(gè)，就是給ADC輸入提供“干凈”的信號。因此，這些前端組件的復(fù)雜性和性能規(guī)范很大程度上取決于ADC器件的特征和要求。如果在信號鏈中只要求為變換緩慢的信號提供相對低分辨率的轉(zhuǎn)換，那么昂貴的高精度的放大器就可以省下了。

在實(shí)際情況中，最適合ADC器件的選擇——以及所需的信號調(diào)節(jié)組件選擇——反過來取決于對輸入信號特征的仔細(xì)分析和應(yīng)用的整體功能要求。一個(gè)應(yīng)用信號鏈的精度（和成本）需要在環(huán)境溫度下定期測量漸進(jìn)的變化，這與一個(gè)“任務(wù)-關(guān)鍵過程-控制”的應(yīng)用中，只打算提供及時(shí)反饋的機(jī)制是由很大不同的。事實(shí)上，ADC的選擇通常取決于信號轉(zhuǎn)換吞吐量和延遲時(shí)間的要求（延遲時(shí)間即信號采集開始到ADC輸出端有正確的響應(yīng)信號）。

工程師可以從提供不同性能水準(zhǔn)的ADC器件的結(jié)構(gòu)中推斷出一些結(jié)論，對于實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低延時(shí)，每種結(jié)構(gòu)都提供了內(nèi)在功能和限制。例如，閃爍型ADC結(jié)構(gòu)通常具有最高的吞吐量和最低的延遲，但是一般只在較低分辨率情況下使用才具有成本效益。Flash ADC器件，例如亞德諾半導(dǎo)體公司的AD782x和德州儀器公司的TLC0820，使用并行轉(zhuǎn)換配置原理實(shí)現(xiàn)高速配置。它們具有的高吞吐量和最小延遲特性，這使它們成為聲音編碼應(yīng)用方面的理想選擇，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用方面顯著的延遲是不允許的。

相比之下，逐次逼近式（SAR）和（ΣΔ）型ADC能夠?yàn)檩^寬范圍的要求和應(yīng)用提供良好的成本效益。SAR ADC已經(jīng)成為大多數(shù)中等到高級分辨率應(yīng)用的主要選擇。這些器件在單個(gè)周期內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，是數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方面合適的選擇，例如控制環(huán)路、電源監(jiān)控和信號分析等都要求最小的延遲時(shí)間。

對于高分辨率轉(zhuǎn)換ΣΔ ADC器件一般是最低成本的選擇，因?yàn)槠涔逃械倪^采樣結(jié)構(gòu)。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的ΣΔ ADC器件因其相對緩慢的建立時(shí)間和內(nèi)部數(shù)字濾波器的尖銳截止而造成了應(yīng)用受限，因此，即使在一些ΣΔ ADC的性能就能勝任的情況下，設(shè)計(jì)師有時(shí)也會選擇采用SAR ADC。例如，傳統(tǒng)情況下在控制環(huán)路和多路復(fù)用應(yīng)用方面，SAR ADCs已經(jīng)成為第一選擇，因?yàn)椴粌H要考慮到傳統(tǒng)ΣΔ轉(zhuǎn)換器的性能。

在工業(yè)過程、家居應(yīng)用或者汽車應(yīng)用方面，反饋延時(shí)會造成控制回路的不穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)師有時(shí)候會選擇SAR ADC，而不是冒險(xiǎn)使用較長延遲的ΣΔ ADC。然而，實(shí)際上在信號相對緩慢的控制應(yīng)用方面，ΣΔ ADC可預(yù)見性延遲可能對控制回路的影響是微不足道的。

在多通道應(yīng)用方面，設(shè)計(jì)師往往復(fù)用單個(gè)ADC器件的多個(gè)輸入通道，這樣可以節(jié)省成本、封裝和整體組件的數(shù)量。對于這些設(shè)計(jì)，基于傳統(tǒng)上的考慮，在下一個(gè)信號通道復(fù)用到ADC的輸入通道之前，ΣΔ ADC可能不能足夠快的完成前一次的轉(zhuǎn)換，因此工程師已經(jīng)轉(zhuǎn)向采用SAR ADC。然而，在很多傳感應(yīng)用方面，監(jiān)測的物理現(xiàn)象的變化速率遠(yuǎn)低于ΣΔ ADC的建立時(shí)間，因此很多復(fù)用通道可以選擇使用ΣΔ ADC，完全可以勝任。

盡管傳統(tǒng)的ΣΔ ADC很適合那些信號變化緩慢的應(yīng)用，但是先進(jìn)的ΣΔ ADC，例如德州儀器公司的ADS124x，具備更加復(fù)雜的功能，很大程度上消弭了傳統(tǒng)上的問題（如圖4）。例如，更加復(fù)雜濾波技術(shù)會在下一代器件中使用，允許輸出零延遲。因此，24位的ΣΔ ADC，例如TIADS124x能夠提供差分復(fù)用輸入，且輸出速率可達(dá)到2ksps。

圖4：先進(jìn)技術(shù)的24位ΣΔ ADCs，例如TIADS124x，已經(jīng)消除了很多傳統(tǒng)顧慮，如在低延遲設(shè)計(jì)和復(fù)用差分輸入設(shè)計(jì)中使用ΣΔ ADC

除了要使ADC的規(guī)格符合應(yīng)用要求外，設(shè)計(jì)師要考慮參考電壓的作用，進(jìn)一步優(yōu)化模擬信號鏈。在信號轉(zhuǎn)換過程中，除了提供穩(wěn)定的參考電壓外，參考電壓的精度對于確保轉(zhuǎn)換的絕對精確是至關(guān)重要的。在一些應(yīng)用中，例如電池供電設(shè)計(jì)或者能量采集設(shè)計(jì)，這些器件是尤其重要的，在這些設(shè)計(jì)中，隨著電池達(dá)到放電周期的結(jié)束或者采集能量源周期性的變?nèi)酰措妷嚎赡軙霈F(xiàn)波動(dòng)。

對于那些不要求如此絕對精度水平的應(yīng)用，設(shè)計(jì)師可以通過使用比例轉(zhuǎn)換方法（如圖5）消除對參考電壓精度的需求。比例轉(zhuǎn)換提供的結(jié)果是與參考電壓（通常是源電壓或者勵(lì)磁電壓）的一個(gè)比值。使用這種方法，即使當(dāng)源電壓波動(dòng)時(shí)，ADC的輸出仍保持比例格式輸出。

圖5：ADC器件例如美信的MAX1415可以運(yùn)行在比率計(jì)模式，消除了信號轉(zhuǎn)換對精確參考電壓的需要。

數(shù)字域

通常ADC提供標(biāo)準(zhǔn)的I2C或者SPI兼容串行接口，用于將模擬信號鏈的輸出與MCU（微控制單元）連接。隨著數(shù)據(jù)傳入MCU，對于更高性能要求的應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以在軟件部分或者數(shù)字信號處理硬件部分實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的濾波算法，提高信噪比。

利用靈敏的截止和陷波濾波器可以減少模擬器件的使用，例如，設(shè)計(jì)師可以選擇將復(fù)雜的濾波轉(zhuǎn)移到數(shù)字區(qū)域，而不是使用更多復(fù)雜模擬濾波組件來增加設(shè)計(jì)面積，盡管在某些特別應(yīng)用里要求這么做。當(dāng)然，從內(nèi)存要求和MCU的性能來看，增加軟件的復(fù)雜度也加重了其自身的負(fù)擔(dān)。

結(jié)論

設(shè)計(jì)師可以發(fā)現(xiàn)滿足性能規(guī)范的模擬信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換組件以應(yīng)對大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的苛刻要求。不過，對于很多的應(yīng)用，信號鏈不需要采用最好的性能規(guī)格組件就能夠有效滿足應(yīng)用設(shè)計(jì)要求。通過匹配ADC與轉(zhuǎn)換要求以及信號調(diào)節(jié)組件與ADC規(guī)格，工程師也可以輕松設(shè)計(jì)出滿足性能和成本要求的信號鏈。