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优化仪表信号链,降低成本并提高性能

关键词:仪表信号链 嵌入式传感器

时间:2021-09-18 10:57:41      来源:贸泽电子

高效的信号采集,对于从工业过程控制和测量到高速通信和成像的各种应用而言,都是至关重要的。在范围如此广泛的应用中,都需要将适当的组件与任务相匹配,才能构造出以最低成本满足性能要求的信号链。目前,为物联网 (IoT) 服务的深度嵌入式传感器系统正呈现预期中的激增态势,因而这种成本和性能的平衡就变得更加重要。

高效的信号采集,对于从工业过程控制和测量到高速通信和成像的各种应用而言,都是至关重要的。在范围如此广泛的应用中,都需要将适当的组件与任务相匹配,才能构造出以最低成本满足性能要求的信号链。目前,为物联网 (IoT) 服务的深度嵌入式传感器系统正呈现预期中的激增态势,因而这种成本和性能的平衡就变得更加重要。随着时间推移,物联网设备数量预计将达到百亿量级,如果在信号链的每个阶段都能减少一定的成本,那么整体上的节省将会非常可观。

对于设计人员而言,建立一个有效的信号链,就意味着要平衡每个阶段中各个元件的规格,以满足整个信号链的目标性能水平。虽然有些应用需要规格极高的设备(图1),但设计人员通常可以使用更具成本效益的元件,即可实现性能和功能水平满足所需的信号链。


图1:包括模数转换器和多路复用器在内的多种高性能模拟元件,使欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机能够以尽可能高的性能测量磁场。

就最基本的形式而言,信号采集电路最好只包含模数转换器 (ADC) 这一个元器件,用于将来自传感器或其他来源的模拟输入信号数字化。然而,对于任何实际应用来说,这种简单的方法并不适用于现实世界的信号,这就对包括放大和过滤在内的信号调理提出了进一步要求(图2)。对于使用有源传感器的应用,需要在前端使用额外的元件,如数模转换器 (DAC)、精密电压基准和放大器,以提供传感器所需的激励电流或电压水平。


图2:在数据转换之前,典型的模拟信号链需要进行调理,以补偿小信号输入、信号偏移以及特定于各种应用的其他信号特性(图源:Maxim Integrated)

信号调理

通常情况下,传感器产生的信号振幅较小。在不经过放大的情况下,这些信号只能利用到ADC全动态范围的一部分,因而很可能由于ADC分辨率有限以及更容易受到转换器量化误差的影响,进而导致信号细节丢失。因此,设计人员通常需要加入一个模拟前端 (AFE) 放大器阶段,来增加输入信号的跨度,以匹配ADC的全动态范围。输入放大器还可以确保传感器保持适当的负载,同时还可以缓冲前端在信号采样时出现的负载瞬变现象,这种现象存在于某些类型ADC的输入端。

工程师可以选用各种各样功能和性能各异的放大器。虽然人们会自然倾向于寻找性能规格尽可能高的放大器,但工程师可以在充分了解放大器的规格后,将之与输入信号的特性和所需的输出分辨率进行严格比较,从而显著降低设计成本。例如,当仪表放大器 (IA) 需要处理的信号变化速率很慢,并且幅度远高于本底噪声时,如果还一味地追求尽可能快的压摆率和尽可能低的噪声,就可能会增加很多不必要的开支。同样,对于线性度规格非常出色的放大器,虽然它的最终效果显然会好于精确度刚好的ADC,但后者的量化误差即便明显大于前者,也完全有可能满足信号链的整体性能要求。

根据信号特性和应用需求,工程师在面临更严格的要求时,可以选择各种全功能放大器,如高精度IA、低噪声放大器 (LNA) 和可编程增益放大器 (PGA),但传统运算放大器的性能特性依然适用于大多数应用。例如,轨至轨输入/输出 (RRIO) 低噪声运算放大器,包括Analog Devices AD850x、Maxim Integrated MAX963x和Texas Instruments OPA320系列等产品,都提供了一种相对低成本的选择,能够在多种类型的信号采集应用中尽可能增加动态范围、减小噪声。

虽然传统的单端输入放大器足以满足许多应用,但对不少的信号采集应用而言,良好的共模抑制是一项关键要求,因而需要使用差分输入。例如,使用桥式传感器的应用以及在非常嘈杂的环境中工作的设计,就需要由具有全差分输入的放大器来提供高共模抑制特性。事实上,一些差分放大器,如Analog Devices AD8476和Texas Instruments THS4531,就是专门为满足差分信号调理要求而设计的,并且还包含旨在简化与ADC对接的功能。除了ADC接口选项外,Analog Devices AD8476中集成的激光微调电阻等功能还有助于减少信号链设计中的元器件数量并降低成本(图3)。


图3:诸如Analog Devices AD8476等差分放大器具有集成的激光微调功能和根据ADC接口要求调整的输出能力,有助于简化具有差分输入要求的信号链的设计。

虽然放大延长了输入信号的跨度,但也加剧了信号的噪声特性,这一问题显著地限制了动态范围。因此,信号链通常需要在转换前加入一个滤波阶段,以限制需要处理的信号以外的频率的噪声影响。

对于灵活性要求很高的应用,工程师可以使用数字电位计(如Maxim Integrated MAX540x和Texas Instruments TPL0102系列)来构建这些滤波器,并通过简单的控制逻辑或主机MCU来驱动它们。不过,对于信号特性相对稳定的应用,简单的无源元件通常就可以满足设计所需的过滤要求。

在噪声带宽限制问题之外,信号链中通常还需要使用抗混叠滤波器,以减少在高于采样率一半的频率中出现的采样伪影。随着过采样转换方法的出现,对这一阶段的需求已经大大减少。

信号转换

由放大器和滤波器组成的信号调理电路的唯一目的,就是为ADC的输入提供干净的信号。因此,这些前端元件的复杂性和性能规格主要取决于ADC的特性和要求。如果信号链只需要对变化缓慢的信号进行低分辨率的转换,就完全不需要花费不必要的开支来采用昂贵的高精度放大器。

在实际应用中,如何选择最合适的ADC以及所需的信号调理元件,反过来又取决于对输入信号的特性和应用的整体功能要求的仔细分析。定期测量环境温度变化的信号链与为关键任务的过程控制提供即时反馈的信号链相比,它们的精度(以及成本)是有很大区别的。事实上,ADC的选择通常取决于对信号转换吞吐量和延迟时间(从信号采集开始到ADC在其输出上提供相应数据的时间)的要求。

工程师们可以从旨在提供截然不同性能水平的ADC架构中汲取经验。每个架构都为实现高吞吐量和低延迟提供了固有的能力,也带来了固有的限制。例如,flash ADC架构通常具有非常高的吞吐量和非常低的延迟,但通常只在较低位的分辨率下具有成本效益。包括Analog Devices AD782x和Texas Instruments TLC0820在内的flash ADC均使用转换元件并行配置来执行高速转换。它们的高吞吐量和低延迟使之成为不能容忍显著延迟情况下(例如语音编码应用)的理想选择。

相比之下,逐次逼近寄存器 (SAR) ADC和sigma-delta (ΣΔ) ADC则为多种要求和应用提供了具有成本效益的性能。SAR ADC已经成为大多数中高分辨率应用的主要选择。这些器件在一个周期内完成转换,使它们适用于对延迟时间要求非常高的数据采集应用,如控制回路、电源监测和信号分析。

ΣΔ型ADC由于其固有的过采样架构,通常可以为高分辨率转换提供低成本的选择。但另一方面,传统ΣΔ ADC中相对较慢的稳定时间和内部数字滤波器的急剧截止,限制了它们在某些应用中的使用。因此,即使在ΣΔ ADC的性能已经足够的情况下,设计人员有时依然会选择SAR ADC。例如,由于担心传统ΣΔ转换器的性能,SAR ADC一直是控制环路和多路复用应用的首选。

反馈延迟会在工业过程、家用电器或汽车控制环路中造成不稳定,因此设计人员有时宁可选择SAR ADC,也不愿去冒ΣΔ ADC的较长延迟带来的风险。不过,在信号相对较慢的控制应用中,ΣΔ ADC可预测的延迟对控制环路稳定性的影响实际上可以忽略不计。

在多通道应用中,设计人员往往会将多个输入通道多路复用到一个ADC中,以节省成本、减小占位面积、减少整体元器件数量。对于这些设计,工程师们会基于传统的担忧而选用SAR ADC,他们担心在下一个通道复用到ADC输入之前,ΣΔ ADC可能无法足够快地稳定下来以完成转换。然而,在许多传感应用中,被监测的物理现象的变化率是远低于ΣΔ ADC的稳定时间的,因此ΣΔ ADC可以很容易地胜任许多多路复用通道。

尽管传统的ΣΔ ADC非常适合信号变化缓慢的应用,但新型的ΣΔ ADC(如Texas Instruments ADS124x)具有更复杂的功能,可在很大程度上消除传统的担忧(图4)。例如,新一代器件中更复杂的滤波技术使其输出能够以零周期延迟实现稳定。因此,诸如TI ADS124x等24位ΣΔ ADC可以提供输出速率高达2ksps的差分多路复用输入。


图4:TI ADS124x等24位ΣΔ ADC中的新技术消除了在低延迟设计中使用ΣΔ ADC以及与多路复用差分输入一起使用时的许多传统担忧。

除了将ADC规格与应用要求相匹配外,设计人员还可以通过考虑电压基准在应用中的作用来进一步优化模拟信号链。通过提供稳定的参考电压,精密电压基准对于确保信号转换的绝对精度至关重要。在电池供电设计或能量收集设计等应用中,普遍认为这些器件非常重要,因为在这些应用中,电源电压会随着电池放电周期结束或采集的能量来源周期性变弱而发生波动。

对于不需要这种绝对精度水平的应用,设计人员可以通过使用比率转换方法来消除对精密电压基准的需求(图5)。比率转换的结果是参考电压之比,该参考电压通常为电源电压或激励电压。通过这种方法,即使电源存在波动,ADC输出也能保持比例输出。


图5:诸如Maxim Integrated MAX1415等ADC可以在比率模式下运行,无需在信号转换中使用精密电压基准。

数字域

ADC通常提供标准的I2C或SPI兼容串行接口,用于将模拟信号链的输出连接到MCU。当数据点流入MCU时,设计人员可以使用在软件或数字信号处理硬件中运行的传统滤波算法来提高信噪比,以实现更高的性能密集型应用。

通过数字方式创建信噪比很高的截止和陷波滤波,非常有助于放宽模拟信号链中的要求。例如,设计人员可以选择将滤波的复杂性转移到数字域,而不是牺牲设计的占位面积来使用特定应用中可能需要的更复杂的模拟滤波组件。当然,软件的复杂性增加,意味着需要在内存和MCU性能方面提出更高的要求。

结语

要在诸多模拟信号调理和转换元件中找出性能规格可满足苛刻的数据采集要求的产品,这对设计人员而言并不是一件难事。然而,对于许多应用而言,信号链只需满足应用要求即可,并不需要全面采用各方面都具备最佳规格的元件。通过将ADC与转换要求相匹配、将信号调理元件与ADC规格相匹配,工程师可以设计出能够轻松满足性能和成本目标的信号链。

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