我們現(xiàn)在生活在一個(gè)以數(shù)字方式主導(dǎo)的世界，隨著人們嘗試更多地以自動(dòng)方式控制日常生活的方方面面，未來(lái)還會(huì)沿著這個(gè)方向進(jìn)一步邁進(jìn)。過(guò)去，多數(shù)控制系統(tǒng)在很大程度上都是通過(guò)模擬方式，而當(dāng)今的系統(tǒng)則主要依靠廣泛使用的低成本微控制器來(lái)提供靈活、且易于更新的系統(tǒng)級(jí)控制功能。
您可能會(huì)認(rèn)為模擬設(shè)計(jì)的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，但現(xiàn)實(shí)情況卻不是這樣，實(shí)際上正好相反，為了更接近于真實(shí)，控制系統(tǒng)必須依靠幾乎總是模擬信號(hào)的傳感器輸入。盡管業(yè)界也存在數(shù)字傳感器，但它們通常包含模擬傳感器、信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等子系統(tǒng)，因此基本上仍以模擬為基礎(chǔ)。因此，需要正確處理低頻模擬信號(hào)并將其提供給 ADC，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字域以進(jìn)行后續(xù)處理，這種能力是許多設(shè)計(jì)工程師的一項(xiàng)關(guān)鍵要求，尤其是對(duì)于那些開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）節(jié)點(diǎn)等基于傳感器應(yīng)用的工程師。
模擬信號(hào)鏈
典型的模擬信號(hào)鏈通常由信號(hào)源（通常為某種形式的傳感器設(shè)備）、緩沖、濾波、放大以及 ADC 組成。在將信號(hào)以高保真度轉(zhuǎn)換為數(shù)字域之前，所有這些主動(dòng)元件，包括其他相關(guān)的被動(dòng)組件，都在信號(hào)保持方面起著重要作用。
設(shè)計(jì)過(guò)程首先要從幅度和對(duì)噪聲的敏感性來(lái)判斷源信號(hào)的性質(zhì)，大多數(shù)傳感器輸出一個(gè)直流電壓，其與測(cè)量的參數(shù)成比例，這些可以是光、溫度、壓力或其他物理參數(shù)。通常，傳感器只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)較弱的信號(hào)，而且很容易會(huì)受到噪聲影響，并有可能破壞測(cè)量結(jié)果。因此，應(yīng)將一個(gè)伴隨電路（如基于運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單非反相放大器）放置在盡可能靠近傳感器的位置。由于任何長(zhǎng)度的走線都會(huì)或多或少充當(dāng)天線作用，并可能拾取有害的環(huán)境噪聲，因而盡可能接近傳感器非常重要。如果某些應(yīng)用必須要使用較長(zhǎng)的走線，則必須對(duì)其進(jìn)行屏蔽。
這種電路的增益由電阻的比率決定，因此，電阻值的任何差異都會(huì)對(duì)電路的增益和信號(hào)鏈中傳輸?shù)男盘?hào)幅度產(chǎn)生影響。在某些情況下，這可能不是主要問(wèn)題，但如果成為必須要關(guān)注的問(wèn)題，則需要采用公差要求嚴(yán)格的電阻。例如，為了提高精度，可以使用 Maxim MAX5491LC 等具有匹配電阻的器件，它們每個(gè)都在 SOT23 封裝內(nèi)部包含兩個(gè)電阻，具有非常高的匹配度（0.035％），并且在 -40°C～+ 85°C 工作溫度范圍內(nèi)具有 2ppm /°C 的低漂移。
圖 1：基于運(yùn)算放大器的非反相放大器。
圖 1 所示的簡(jiǎn)易單運(yùn)算放大器電路可作為理想的緩沖器，特別是用于將來(lái)自遠(yuǎn)端的傳感器信號(hào)沿長(zhǎng)信號(hào)線傳輸。雖然它的配置和使用都很簡(jiǎn)單，但是為了獲得小信號(hào)準(zhǔn)確放大所需的高精度，需要考慮運(yùn)算放大器的許多性能方面。
從理論上講，如果運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入都處于相同的電位，則輸出應(yīng)為零。實(shí)際上，情況并非如此，輸出端會(huì)存在一個(gè)很小的差值電壓，稱為輸入失調(diào)電壓（offset voltage）。如果運(yùn)算放大器需要消耗太多功率才能運(yùn)行，也會(huì)影響非常弱的傳感器信號(hào)（例如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中非電池供電傳感器產(chǎn)生的信號(hào)）。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在傳感器信號(hào)緩沖范圍內(nèi)考慮運(yùn)算放大器的輸入阻抗（通常在 M 級(jí)別，因此無(wú)需過(guò)多考慮）和輸入偏置電流（運(yùn)算放大器工作所需的電流）。
為了克服單個(gè)運(yùn)算放大器的局限性，精密放大器通常把匹配的一對(duì)運(yùn)算放大器組合在同一個(gè)封裝中。下面的電路配置通常采用雙運(yùn)算放大器，例如 ADA4522 系列。
圖 2：雙運(yùn)算放大器電路可以克服單運(yùn)算放大器中容易出現(xiàn)的一些固有誤差。
上述電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可與任何小信號(hào)傳感器配合使用，能夠提供具有零漂移的低噪聲解決方案。它的輸入偏置電流僅為 50pA，輸入失調(diào)電壓為 0.7V。對(duì)高阻抗信號(hào)的任何影響都可忽略不計(jì)，從而可以精確放大來(lái)自任何傳感器類型的信號(hào)。通過(guò)為每個(gè)輸入配置專用的運(yùn)算放大器，電路的輸入阻抗由共模輸入阻抗決定，其值約為 100GΩ。由于運(yùn)算放大器包含在同一封裝內(nèi)部，因此從根本上消除了任何誤差或失調(diào)，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)高精度解決方案的工作負(fù)擔(dān)。
另一個(gè)雙運(yùn)算放大器是德州儀器（TI）提供的高精度 OPA2156，該款下一代器件具有極低的失調(diào)電壓，最大為 200V，5pA 的低偏置電流，以及 3V/C 的低漂移，所有這些特性能夠確保提供具備非常低噪聲和高精度的解決方案。這種獨(dú)特的器件具有許多出眾的功能，包括能夠在電源軌之間擺動(dòng)輸入和輸出，具有高帶寬（25MHz）和高轉(zhuǎn)換率（40V/s），非常適合快速運(yùn)動(dòng)的傳感應(yīng)用。它采用 8 引腳 SOIC 封裝，能夠在 -40°C～+ 125°C 的整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作。
圖 3：差分光電二極管放大器的應(yīng)用示例。
某些傳感器具有不同類型的輸出，可以相應(yīng)地使用運(yùn)算放大器不同的配置以正確放大其輸出。圖 3 所示為一個(gè)電流范圍 0A～90A 的光電二極管應(yīng)用示例，其設(shè)計(jì)輸出范圍為 -5V～+5V。通過(guò)將一個(gè)電容器整合到反饋環(huán)路，可以構(gòu)建一個(gè)濾波器，而不需要額外的分立濾波元件。在此示例中，采用了一個(gè) 2.7pF 電容器以提供 1MHz 的截止頻率，從而消除了不必要的高頻噪聲。在信號(hào)鏈的模擬部分之后是 ADC，它將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，以進(jìn)一步通過(guò) DSP 處理或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在努力解決了信號(hào)緩沖、濾波以及放大的麻煩之后，為應(yīng)用選擇正確的 ADC 則更加重要。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換注意事項(xiàng)
ADC 是相對(duì)復(fù)雜的子系統(tǒng)，因此，必須綜合考慮許多參數(shù)，以確保能夠滿足系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。任何 ADC 都包括四個(gè)主要參數(shù)：分辨率、速度、精度和噪聲。分辨率通常會(huì)與準(zhǔn)確性相混淆，但重要的是需認(rèn)識(shí)到兩者是完全不同的參數(shù)。
分辨率是指為每次采樣或轉(zhuǎn)換生成的位數(shù)，它定義了可以轉(zhuǎn)換的最小信號(hào)以及可在輸出端產(chǎn)生明顯變化的最小增量信號(hào)。精度則定義為輸出與相應(yīng)輸入的保真程度，并包括 ADC 本身的任何失調(diào)或非線性。通常，提高分辨率也會(huì)提高轉(zhuǎn)換器的精度。
在視頻處理等應(yīng)用中，速度是一個(gè)很大的問(wèn)題，因?yàn)橥ǔＲ笠灾辽賰杀队谠葱盘?hào)最高頻率的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在傳感應(yīng)用中，尤其是那些測(cè)量物理參數(shù)（例如溫度）的應(yīng)用，速度卻幾乎不是需要關(guān)注的問(wèn)題。
所有 ADC 都會(huì)生成某種形式的量化噪聲，這是轉(zhuǎn)換過(guò)程不可避免的副產(chǎn)物。例如，如果輸入是純正弦波，則輸出將是由一系列小步長(zhǎng)構(gòu)成的正弦波，這種非線性被稱為量化噪聲。增大分辨率將有助于減低系統(tǒng)中的量化噪聲。
考慮了影響信號(hào)完整性的參數(shù)后，設(shè)計(jì)人員需要查看其他設(shè)備參數(shù)，包括主機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字接口和可用通道的數(shù)量，以及系統(tǒng) / 應(yīng)用所需的任何其他特定功能。德州儀器的 ADS1219 是一款高精度 24 位 ADC，其輸入可以配置為四個(gè)多路復(fù)用單端輸入或一對(duì)差分輸入，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供極高的靈活性。該器件僅需最少量的外部元件，其板載緩沖級(jí)（buffer stage）可直接連接到高阻抗源。它還有一個(gè)可編程增益級(jí)，用于進(jìn)一步的信號(hào)調(diào)理。 ADS1219 采用 16 引腳 WQFN 或 TSSOP 封裝，內(nèi)置雙線 I2C 兼容接口，允許將數(shù)據(jù)以高達(dá) 1Mbps 的速度傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)。
結(jié)論
模擬設(shè)計(jì)仍然是我們當(dāng)今世界中非常重要的一部分。為了最大程度地利用持續(xù)提供的準(zhǔn)確和可靠傳感數(shù)據(jù)，需要構(gòu)建和保持強(qiáng)大的模擬信號(hào)鏈。首先要充分了解傳感器的特性，尤其是其輸出信號(hào)。模擬信號(hào)鏈會(huì)始終包括運(yùn)算放大器和分立元件以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換組件。盡管設(shè)計(jì)工程師會(huì)竭盡全力地確保選擇合適的主動(dòng)元器件，但必須也要同樣考慮能夠決定系統(tǒng)性能的被動(dòng)元件。
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