高效信号链的信号调节和转换

从工业过程控制和测量到高速通信和成像，高效的信号采集是各类应用的基础，如此宽广范围的应用类别，要匹配适当的应用组件，创建一个信号链是至关重要的，以便以尽可能低的成本满足性能要求，但随着嵌入式传感器系统（给物联网提供采集信号）有望大发展，平衡成本与性能也就变得更加重要了。物联网设备数量预计达上百亿，每级信号链上节省的资源汇总起来就可以节省惊人的资源。
对设计者来说，要从总体出发，建立一个高效的信号链意味着要平衡每个独立组件规格，在信号链的每个阶段都要达到目标性能水平。然而有些应用要求设备尽可能高的规格（如图1），但是设计者可能经常使用更具成本效益的组件，不过是要在达到性能和功能要求水平后创建完整的信号链。

图1 ：高性能模拟组件，包括模数转换器和多路复用器，能够使CERN（欧洲核子研究组织）的LHC（大型量子对撞机）以最可能高的性能来测量磁场区域
在理想情况下，信号采集电路的大多数基本形式是只包含一个组件：模数转换器（ADC），它将传感器或其他输入源输入的模拟信号转换为数字信号。然而，对于任何实际应用，现实世界的信号不可能这么简单，有进一步信号调节的需要，包括信号放大和滤波（如图2）。对于使用有源传感器和额外组件（例如数模转换器（DAC））的应用，需要在系统前端设置精确的参考电压和放大器，以便为传感器提供所要求大小的励磁电流或者电压。

图2：数据转换之前，典型的模拟信号链需要调节来弥补小信号输入、信号补偿和其他的每个应用特有信号特征

贾桂林

2019-6-24 14:32:16

信号调节
通常情况下，传感器和换能器产生小振幅信号。如果没有经过放大，这些信号只能满足ADC全部动态范围中一部分使用要求，由于ADC有限的分辨率和转换器量化误差影响，最有可能导致细节丢失。
因此，设计师通常需要一个模拟前端（AFE）放大器来增加输入信号的幅度，以符合ADC全部动态范围需求。同样重要的是，输入放大器可以确保传感器和换能器保持正确加载，同时也可以缓冲负载瞬间变化对前端的影响，当信号采样时，这种负载瞬变现象会出现在某些类型ADCs的输入端。
工程师可以找到跨越较宽功能和性能范围的放大器。尽管通常都是尽可能去找到一种可能具备最高性能的放大器，但是工程师可以通过严格的将放大器的规格与输入信号的特征和要求的输出分辨率进行比较，然后可以大大降低设计成本。例如，当信号慢速率变化并且在噪声上保持很好时，采用带有最快转换速率和最低噪声的仪表放大器（IA）则可能白白增加了成本，同样的，具有最好线性规格的放大器可以简单的超越ADC，提供足够精确的结果，虽然有量化误差，但从总体上看却符合信号链的性能要求。
基于信号特征和应用要求，工程师面临更严格的要求，他们可以选择各种功能齐全的放大器，例如高精确度的IA、低噪声的放大器（LNA）和可编程增益放大器（PGA）。不过传统放大器提供的性能特征适合大多数应用。例如，轨到轨输入输出（RRIO）低噪声放大器如亚德诺半导体公司的AD850x、美信公司的MAX963x和德州仪器公司的OPA320系列在信号采集广泛的应用中，能够将动态范围扩到最大，将噪声降到最小，是降低成本的选择。
尽管传统的单端输入放大器对很多的应用已经足够了，但是很多信号采集应用要求差分输入，并且良好的共模抑制是其关键。例如，使用电桥传感器的应用或者在非常嘈杂环境下工作的设计，要求对放大器的差分输入具有更高的共模抑制特性。实际上，一些差分放大器例如ADI公司的AD8476和德州仪器公司的THS4531就是为解决差分信号调节要求而专门设计的，包括为简化ADCs接口而设计的功能。谈到ADC接口，亚德诺半导体公司的AD8476内部发现的集成激光微调电阻可以帮助在信号链设计中减少组件数量和成本（如图3）。

图3：差分放大器例如ADI的AD8476带有集成激光微调电阻，具有按ADC接口要求调整输出能力，帮助简化差分输入要求的信号链设计
放大器虽然扩展了输入信号幅度，但同时也加剧了信号噪声，限制了动态范围。因此信号链通常要在信号转换之前设置滤波级，以此来限制有用信号频率以外的噪声影响。
对于要求最大灵活性的应用，工程师可以使用数字电位器例如美信的MAX540x和德州仪器的TPL0102系列搭建滤波电路，使用简单的控制逻辑或者通过上位机微控制器来驱动它们。然而对于信号特征相对稳定的应用，简单的无源组件就能够满足设计滤波的要求。除了噪声带宽限制问题，通常信号链要求使用抗锯齿滤波器，以减少采样误差，不过过采样转换方法可以降低这级电路的需求。

信号调节
通常情况下，传感器和换能器产生小振幅信号。如果没有经过放大，这些信号只能满足ADC全部动态范围中一部分使用要求，由于ADC有限的分辨率和转换器量化误差影响，最有可能导致细节丢失。
因此，设计师通常需要一个模拟前端（AFE）放大器来增加输入信号的幅度，以符合ADC全部动态范围需求。同样重要的是，输入放大器可以确保传感器和换能器保持正确加载，同时也可以缓冲负载瞬间变化对前端的影响，当信号采样时，这种负载瞬变现象会出现在某些类型ADCs的输入端。
工程师可以找到跨越较宽功能和性能范围的放大器。尽管通常都是尽可能去找到一种可能具备最高性能的放大器，但是工程师可以通过严格的将放大器的规格与输入信号的特征和要求的输出分辨率进行比较，然后可以大大降低设计成本。例如，当信号慢速率变化并且在噪声上保持很好时，采用带有最快转换速率和最低噪声的仪表放大器（IA）则可能白白增加了成本，同样的，具有最好线性规格的放大器可以简单的超越ADC，提供足够精确的结果，虽然有量化误差，但从总体上看却符合信号链的性能要求。
基于信号特征和应用要求，工程师面临更严格的要求，他们可以选择各种功能齐全的放大器，例如高精确度的IA、低噪声的放大器（LNA）和可编程增益放大器（PGA）。不过传统放大器提供的性能特征适合大多数应用。例如，轨到轨输入输出（RRIO）低噪声放大器如亚德诺半导体公司的AD850x、美信公司的MAX963x和德州仪器公司的OPA320系列在信号采集广泛的应用中，能够将动态范围扩到最大，将噪声降到最小，是降低成本的选择。
尽管传统的单端输入放大器对很多的应用已经足够了，但是很多信号采集应用要求差分输入，并且良好的共模抑制是其关键。例如，使用电桥传感器的应用或者在非常嘈杂环境下工作的设计，要求对放大器的差分输入具有更高的共模抑制特性。实际上，一些差分放大器例如ADI公司的AD8476和德州仪器公司的THS4531就是为解决差分信号调节要求而专门设计的，包括为简化ADCs接口而设计的功能。谈到ADC接口，亚德诺半导体公司的AD8476内部发现的集成激光微调电阻可以帮助在信号链设计中减少组件数量和成本（如图3）。

图3：差分放大器例如ADI的AD8476带有集成激光微调电阻，具有按ADC接口要求调整输出能力，帮助简化差分输入要求的信号链设计
放大器虽然扩展了输入信号幅度，但同时也加剧了信号噪声，限制了动态范围。因此信号链通常要在信号转换之前设置滤波级，以此来限制有用信号频率以外的噪声影响。
对于要求最大灵活性的应用，工程师可以使用数字电位器例如美信的MAX540x和德州仪器的TPL0102系列搭建滤波电路，使用简单的控制逻辑或者通过上位机微控制器来驱动它们。然而对于信号特征相对稳定的应用，简单的无源组件就能够满足设计滤波的要求。除了噪声带宽限制问题，通常信号链要求使用抗锯齿滤波器，以减少采样误差，不过过采样转换方法可以降低这级电路的需求。

张亮

2019-6-24 14:32:34

信号转换
信号调节电路包括放大器和滤波器，设计的目的只有一个，就是给ADC输入提供“干净”的信号。因此，这些前端组件的复杂性和性能规范很大程度上取决于ADC器件的特征和要求。如果在信号链中只要求为变换缓慢的信号提供相对低分辨率的转换，那么昂贵的高精度的放大器就可以省下了。
在实际情况中，最适合ADC器件的选择——以及所需的信号调节组件选择——反过来取决于对输入信号特征的仔细分析和应用的整体功能要求。一个应用信号链的精度（和成本）需要在环境温度下定期测量渐进的变化，这与一个“任务-关键过程-控制”的应用中，只打算提供及时反馈的机制是由很大不同的。事实上，ADC的选择通常取决于信号转换吞吐量和延迟时间的要求（延迟时间即信号采集开始到ADC输出端有正确的响应信号）。
工程师可以从提供不同性能水准的ADC器件的结构中推断出一些结论，对于实现高吞吐量和低延时，每种结构都提供了内在功能和限制。例如，闪烁型ADC结构通常具有最高的吞吐量和最低的延迟，但是一般只在较低分辨率情况下使用才具有成本效益。Flash ADC器件，例如亚德诺半导体公司的AD782x和德州仪器公司的TLC0820，使用并行转换配置原理实现高速配置。它们具有的高吞吐量和最小延迟特性，这使它们成为声音编码应用方面的理想选择，因为在这些应用方面显著的延迟是不允许的。
相比之下，逐次逼近式（SAR）和(ΣΔ)型ADC能够为较宽范围的要求和应用提供良好的成本效益。SAR ADC已经成为大多数中等到高级分辨率应用的主要选择。这些器件在单个周期内完成转换，是数据采集应用方面合适的选择，例如控制环路、电源监控和信号分析等都要求最小的延迟时间。
对于高分辨率转换ΣΔ ADC器件一般是最低成本的选择，因为其固有的过采样结构。另一方面传统的ΣΔ ADC器件因其相对缓慢的建立时间和内部数字滤波器的尖锐截止而造成了应用受限，因此，即使在一些ΣΔ ADC的性能就能胜任的情况下，设计师有时也会选择采用SAR ADC。例如，传统情况下在控制环路和多路复用应用方面，SAR ADCs已经成为第一选择，因为不仅要考虑到传统ΣΔ转换器的性能。
在工业过程、家居应用或者汽车应用方面，反馈延时会造成控制回路的不稳定性，因此设计师有时候会选择SAR ADC，而不是冒险使用较长延迟的ΣΔ ADC。然而，实际上在信号相对缓慢的控制应用方面，ΣΔ ADC可预见性延迟可能对控制回路的影响是微不足道的。
在多通道应用方面，设计师往往复用单个ADC器件的多个输入通道，这样可以节省成本、封装和整体组件的数量。对于这些设计，基于传统上的考虑，在下一个信号通道复用到ADC的输入通道之前，ΣΔ ADC可能不能足够快的完成前一次的转换，因此工程师已经转向采用SAR ADC。然而，在很多传感应用方面，监测的物理现象的变化速率远低于ΣΔ ADC的建立时间，因此很多复用通道可以选择使用ΣΔ ADC，完全可以胜任。
尽管传统的ΣΔ ADC很适合那些信号变化缓慢的应用，但是先进的ΣΔ ADC，例如德州仪器公司的ADS124x，具备更加复杂的功能，很大程度上消弭了传统上的问题（如图4）。例如，更加复杂滤波技术会在下一代器件中使用，允许输出零延迟。因此，24位的ΣΔ ADC，例如TIADS124x能够提供差分复用输入，且输出速率可达到2ksps。

图4：先进技术的24位ΣΔ ADCs，例如TIADS124x，已经消除了很多传统顾虑，如在低延迟设计和复用差分输入设计中使用ΣΔ ADC
除了要使ADC的规格符合应用要求外，设计师要考虑参考电压的作用，进一步优化模拟信号链。在信号转换过程中，除了提供稳定的参考电压外，参考电压的精度对于确保转换的绝对精确是至关重要的。在一些应用中，例如电池供电设计或者能量采集设计，这些器件是尤其重要的，在这些设计中，随着电池达到放电周期的结束或者采集能量源周期性的变弱，源电压可能会出现波动。
对于那些不要求如此绝对精度水平的应用，设计师可以通过使用比例转换方法（如图5）消除对参考电压精度的需求。比例转换提供的结果是与参考电压（通常是源电压或者励磁电压）的一个比值。使用这种方法，即使当源电压波动时，ADC的输出仍保持比例格式输出。

图5：ADC器件例如美信的MAX1415可以运行在比率计模式，消除了信号转换对精确参考电压的需要.

信号转换
信号调节电路包括放大器和滤波器，设计的目的只有一个，就是给ADC输入提供“干净”的信号。因此，这些前端组件的复杂性和性能规范很大程度上取决于ADC器件的特征和要求。如果在信号链中只要求为变换缓慢的信号提供相对低分辨率的转换，那么昂贵的高精度的放大器就可以省下了。
在实际情况中，最适合ADC器件的选择——以及所需的信号调节组件选择——反过来取决于对输入信号特征的仔细分析和应用的整体功能要求。一个应用信号链的精度（和成本）需要在环境温度下定期测量渐进的变化，这与一个“任务-关键过程-控制”的应用中，只打算提供及时反馈的机制是由很大不同的。事实上，ADC的选择通常取决于信号转换吞吐量和延迟时间的要求（延迟时间即信号采集开始到ADC输出端有正确的响应信号）。
工程师可以从提供不同性能水准的ADC器件的结构中推断出一些结论，对于实现高吞吐量和低延时，每种结构都提供了内在功能和限制。例如，闪烁型ADC结构通常具有最高的吞吐量和最低的延迟，但是一般只在较低分辨率情况下使用才具有成本效益。Flash ADC器件，例如亚德诺半导体公司的AD782x和德州仪器公司的TLC0820，使用并行转换配置原理实现高速配置。它们具有的高吞吐量和最小延迟特性，这使它们成为声音编码应用方面的理想选择，因为在这些应用方面显著的延迟是不允许的。
相比之下，逐次逼近式（SAR）和(ΣΔ)型ADC能够为较宽范围的要求和应用提供良好的成本效益。SAR ADC已经成为大多数中等到高级分辨率应用的主要选择。这些器件在单个周期内完成转换，是数据采集应用方面合适的选择，例如控制环路、电源监控和信号分析等都要求最小的延迟时间。
对于高分辨率转换ΣΔ ADC器件一般是最低成本的选择，因为其固有的过采样结构。另一方面传统的ΣΔ ADC器件因其相对缓慢的建立时间和内部数字滤波器的尖锐截止而造成了应用受限，因此，即使在一些ΣΔ ADC的性能就能胜任的情况下，设计师有时也会选择采用SAR ADC。例如，传统情况下在控制环路和多路复用应用方面，SAR ADCs已经成为第一选择，因为不仅要考虑到传统ΣΔ转换器的性能。
在工业过程、家居应用或者汽车应用方面，反馈延时会造成控制回路的不稳定性，因此设计师有时候会选择SAR ADC，而不是冒险使用较长延迟的ΣΔ ADC。然而，实际上在信号相对缓慢的控制应用方面，ΣΔ ADC可预见性延迟可能对控制回路的影响是微不足道的。
在多通道应用方面，设计师往往复用单个ADC器件的多个输入通道，这样可以节省成本、封装和整体组件的数量。对于这些设计，基于传统上的考虑，在下一个信号通道复用到ADC的输入通道之前，ΣΔ ADC可能不能足够快的完成前一次的转换，因此工程师已经转向采用SAR ADC。然而，在很多传感应用方面，监测的物理现象的变化速率远低于ΣΔ ADC的建立时间，因此很多复用通道可以选择使用ΣΔ ADC，完全可以胜任。
尽管传统的ΣΔ ADC很适合那些信号变化缓慢的应用，但是先进的ΣΔ ADC，例如德州仪器公司的ADS124x，具备更加复杂的功能，很大程度上消弭了传统上的问题（如图4）。例如，更加复杂滤波技术会在下一代器件中使用，允许输出零延迟。因此，24位的ΣΔ ADC，例如TIADS124x能够提供差分复用输入，且输出速率可达到2ksps。

图4：先进技术的24位ΣΔ ADCs，例如TIADS124x，已经消除了很多传统顾虑，如在低延迟设计和复用差分输入设计中使用ΣΔ ADC
除了要使ADC的规格符合应用要求外，设计师要考虑参考电压的作用，进一步优化模拟信号链。在信号转换过程中，除了提供稳定的参考电压外，参考电压的精度对于确保转换的绝对精确是至关重要的。在一些应用中，例如电池供电设计或者能量采集设计，这些器件是尤其重要的，在这些设计中，随着电池达到放电周期的结束或者采集能量源周期性的变弱，源电压可能会出现波动。
对于那些不要求如此绝对精度水平的应用，设计师可以通过使用比例转换方法（如图5）消除对参考电压精度的需求。比例转换提供的结果是与参考电压（通常是源电压或者励磁电压）的一个比值。使用这种方法，即使当源电压波动时，ADC的输出仍保持比例格式输出。

图5：ADC器件例如美信的MAX1415可以运行在比率计模式，消除了信号转换对精确参考电压的需要.

任莉虹

2019-6-24 14:32:41

数字域
通常ADC提供标准的I²C或者SPI兼容串行接口，用于将模拟信号链的输出与MCU（微控制单元）连接。随着数据传入MCU，对于更高性能要求的应用，设计者可以在软件部分或者数字信号处理硬件部分实现传统的滤波算法，提高信噪比。
利用灵敏的截止和陷波滤波器可以减少模拟器件的使用，例如，设计师可以选择将复杂的滤波转移到数字区域，而不是使用更多复杂模拟滤波组件来增加设计面积，尽管在某些特别应用里要求这么做。当然，从内存要求和MCU的性能来看，增加软件的复杂度也加重了其自身的负担。

赵羽

2019-6-24 14:32:44

结论
设计师可以发现满足性能规范的模拟信号调节和转换组件以应对大多数数据采集的苛刻要求。不过，对于很多的应用，信号链不需要采用最好的性能规格组件就能够有效满足应用设计要求。通过匹配ADC与转换要求以及信号调节组件与ADC规格，工程师也可以轻松设计出满足性能和成本要求的信号链。

李一天

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贾桂林

张亮

任莉虹

赵羽

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