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優化儀表信號鏈,降低成本并提高性能

關鍵詞:儀表信號鏈 嵌入式傳感器

時間:2021-09-18 10:57:41      來源:貿澤電子

高效的信號采集,對于從工業過程控制和測量到高速通信和成像的各種應用而言,都是至關重要的。在范圍如此廣泛的應用中,都需要將適當的組件與任務相匹配,才能構造出以最低成本滿足性能要求的信號鏈。目前,為物聯網 (IoT) 服務的深度嵌入式傳感器系統正呈現預期中的激增態勢,因而這種成本和性能的平衡就變得更加重要。

高效的信號采集,對于從工業過程控制和測量到高速通信和成像的各種應用而言,都是至關重要的。在范圍如此廣泛的應用中,都需要將適當的組件與任務相匹配,才能構造出以最低成本滿足性能要求的信號鏈。目前,為物聯網 (IoT) 服務的深度嵌入式傳感器系統正呈現預期中的激增態勢,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,物聯網設備數量預計將達到百億量級,如果在信號鏈的每個階段都能減少一定的成本,那么整體上的節省將會非常可觀。

對于設計人員而言,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格,以滿足整個信號鏈的目標性能水平。雖然有些應用需要規格極高的設備(圖1),但設計人員通常可以使用更具成本效益的元件,即可實現性能和功能水平滿足所需的信號鏈。


圖1:包括模數轉換器和多路復用器在內的多種高性能模擬元件,使歐洲核子研究中心 (CERN) 的大型強子對撞機能夠以盡可能高的性能測量磁場。

就最基本的形式而言,信號采集電路最好只包含模數轉換器 (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字化。然而,對于任何實際應用來說,這種簡單的方法并不適用于現實世界的信號,這就對包括放大和過濾在內的信號調理提出了進一步要求(圖2)。對于使用有源傳感器的應用,需要在前端使用額外的元件,如數模轉換器 (DAC)、精密電壓基準和放大器,以提供傳感器所需的激勵電流或電壓水平。


圖2:在數據轉換之前,典型的模擬信號鏈需要進行調理,以補償小信號輸入、信號偏移以及特定于各種應用的其他信號特性(圖源:Maxim Integrated)

信號調理

通常情況下,傳感器產生的信號振幅較小。在不經過放大的情況下,這些信號只能利用到ADC全動態范圍的一部分,因而很可能由于ADC分辨率有限以及更容易受到轉換器量化誤差的影響,進而導致信號細節丟失。因此,設計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的全動態范圍。輸入放大器還可以確保傳感器保持適當的負載,同時還可以緩沖前端在信號采樣時出現的負載瞬變現象,這種現象存在于某些類型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格后,將之與輸入信號的特性和所需的輸出分辨率進行嚴格比較,從而顯著降低設計成本。例如,當儀表放大器 (IA) 需要處理的信號變化速率很慢,并且幅度遠高于本底噪聲時,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。

根據信號特性和應用需求,工程師在面臨更嚴格的要求時,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),但傳統運算放大器的性能特性依然適用于大多數應用。例如,軌至軌輸入/輸出 (RRIO) 低噪聲運算放大器,包括Analog Devices AD850x、Maxim Integrated MAX963x和Texas Instruments OPA320系列等產品,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用中盡可能增加動態范圍、減小噪聲。

雖然傳統的單端輸入放大器足以滿足許多應用,但對不少的信號采集應用而言,良好的共模抑制是一項關鍵要求,因而需要使用差分輸入。例如,使用橋式傳感器的應用以及在非常嘈雜的環境中工作的設計,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理要求而設計的,并且還包含旨在簡化與ADC對接的功能。除了ADC接口選項外,Analog Devices AD8476中集成的激光微調電阻等功能還有助于減少信號鏈設計中的元器件數量并降低成本(圖3)。


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

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范圍。因此,信號鏈通常需要在轉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用,工程師可以使用數字電位計(如Maxim Integrated MAX540x和Texas Instruments TPL0102系列)來構建這些濾波器,并通過簡單的控制邏輯或主機MCU來驅動它們。不過,對于信號特性相對穩定的應用,簡單的無源元件通常就可以滿足設計所需的過濾要求。

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的采樣偽影。隨著過采樣轉換方法的出現,對這一階段的需求已經大大減少。

信號轉換

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

在實際應用中,如何選擇最合適的ADC以及所需的信號調理元件,反過來又取決于對輸入信號的特性和應用的整體功能要求的仔細分析。定期測量環境溫度變化的信號鏈與為關鍵任務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)是有很大區別的。事實上,ADC的選擇通常取決于對信號轉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數據的時間)的要求。

工程師們可以從旨在提供截然不同性能水平的ADC架構中汲取經驗。每個架構都為實現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在內的flash ADC均使用轉換元件并行配置來執行高速轉換。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則為多種要求和應用提供了具有成本效益的性能。SAR ADC已經成為大多數中高分辨率應用的主要選擇。這些器件在一個周期內完成轉換,使它們適用于對延遲時間要求非常高的數據采集應用,如控制回路、電源監測和信號分析。

ΣΔ型ADC由于其固有的過采樣架構,通常可以為高分辨率轉換提供低成本的選擇。但另一方面,傳統ΣΔ ADC中相對較慢的穩定時間和內部數字濾波器的急劇截止,限制了它們在某些應用中的使用。因此,即使在ΣΔ ADC的性能已經足夠的情況下,設計人員有時依然會選擇SAR ADC。例如,由于擔心傳統ΣΔ轉換器的性能,SAR ADC一直是控制環路和多路復用應用的首選。

反饋延遲會在工業過程、家用電器或汽車控制環路中造成不穩定,因此設計人員有時寧可選擇SAR ADC,也不愿去冒ΣΔ ADC的較長延遲帶來的風險。不過,在信號相對較慢的控制應用中,ΣΔ ADC可預測的延遲對控制環路穩定性的影響實際上可以忽略不計。

在多通道應用中,設計人員往往會將多個輸入通道多路復用到一個ADC中,以節省成本、減小占位面積、減少整體元器件數量。對于這些設計,工程師們會基于傳統的擔憂而選用SAR ADC,他們擔心在下一個通道復用到ADC輸入之前,ΣΔ ADC可能無法足夠快地穩定下來以完成轉換。然而,在許多傳感應用中,被監測的物理現象的變化率是遠低于ΣΔ ADC的穩定時間的,因此ΣΔ ADC可以很容易地勝任許多多路復用通道。

盡管傳統的ΣΔ ADC非常適合信號變化緩慢的應用,但新型的ΣΔ ADC(如Texas Instruments ADS124x)具有更復雜的功能,可在很大程度上消除傳統的擔憂(圖4)。例如,新一代器件中更復雜的濾波技術使其輸出能夠以零周期延遲實現穩定。因此,諸如TI ADS124x等24位ΣΔ ADC可以提供輸出速率高達2ksps的差分多路復用輸入。


圖4:TI ADS124x等24位ΣΔ ADC中的新技術消除了在低延遲設計中使用ΣΔ ADC以及與多路復用差分輸入一起使用時的許多傳統擔憂。

除了將ADC規格與應用要求相匹配外,設計人員還可以通過考慮電壓基準在應用中的作用來進一步優化模擬信號鏈。通過提供穩定的參考電壓,精密電壓基準對于確保信號轉換的絕對精度至關重要。在電池供電設計或能量收集設計等應用中,普遍認為這些器件非常重要,因為在這些應用中,電源電壓會隨著電池放電周期結束或采集的能量來源周期性變弱而發生波動。

對于不需要這種絕對精度水平的應用,設計人員可以通過使用比率轉換方法來消除對精密電壓基準的需求(圖5)。比率轉換的結果是參考電壓之比,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行,無需在信號轉換中使用精密電壓基準。

數字域

ADC通常提供標準的I2C或SPI兼容串行接口,用于將模擬信號鏈的輸出連接到MCU。當數據點流入MCU時,設計人員可以使用在軟件或數字信號處理硬件中運行的傳統濾波算法來提高信噪比,以實現更高的性能密集型應用。

通過數字方式創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,設計人員可以選擇將濾波的復雜性轉移到數字域,而不是犧牲設計的占位面積來使用特定應用中可能需要的更復雜的模擬濾波組件。當然,軟件的復雜性增加,意味著需要在內存和MCU性能方面提出更高的要求。

結語

要在諸多模擬信號調理和轉換元件中找出性能規格可滿足苛刻的數據采集要求的產品,這對設計人員而言并不是一件難事。然而,對于許多應用而言,信號鏈只需滿足應用要求即可,并不需要全面采用各方面都具備最佳規格的元件。通過將ADC與轉換要求相匹配、將信號調理元件與ADC規格相匹配,工程師可以設計出能夠輕松滿足性能和成本目標的信號鏈。

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