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          信號鏈的集成與去集成

          —— 混合信號解決方案是未來趨勢
          作者: 時間:2010-12-26 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

            摘要:研究了混合中的每一個模塊集成的可能性,重點討論了ADC和,并分析了模塊功能的集成與去集成的利弊。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/115737.htm

            關(guān)鍵詞:;ADC;;集成;去集成

            概述

            混合信號解決方案是不可阻擋的趨勢。我們希望電子設(shè)備能夠與我們交互,當我們靠近時,車門應(yīng)當自動開鎖,當我們坐在電腦前,電腦應(yīng)當能自動開啟,或者至少,屏幕保護程序應(yīng)當有所動作,表示它很高興我們回來了。當我們身處低光照條件下時,手機屏幕應(yīng)當變暗以節(jié)約能量,溫度調(diào)節(jié)裝置應(yīng)當把房間溫度保持在一個舒適范圍內(nèi)。人類是模擬的,意味著他們的變化是無窮的,而電子產(chǎn)品用電壓和電流作為它們自己的語言來與人類溝通。在電領(lǐng)域,從傳感器最初讀到的通常是由輸入電路調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號、處理,再轉(zhuǎn)換回模擬信號,經(jīng)過適當調(diào)節(jié)后再與我們交互。簡化的表如圖1所示。

            基本的功能框圖是相對不變的,只是在工作頻率、通道帶寬、處理功耗和技術(shù)上會有所變化。在開始討論系統(tǒng)級的問題之前,讓我們多看看每個功能塊(從左至右)的細節(jié)。

            混合中的級

            傳感器在物理世界和電信號世界之間架起了溝通的橋梁,在概述里舉的所有示例都需要用到傳感器,它們可以是射頻、接近、環(huán)境光或溫度傳感器。溫度和壓力傳感器是最常見的兩種傳感器。在行業(yè)市場中,人們對使用精確的流量傳感器的興趣正日益高漲。當有物體接近時,接近傳感器會將紫外光反射到電信號中。在帶有屏幕的便攜式設(shè)備中,環(huán)境光傳感器是一個必備的器件,可起到節(jié)約能量并延長電池壽命的作用。

            混合信號鏈中的下一級是輸入放大器。輸入放大器必須正確接收來自傳感器的信號,不能裝載信號或使信號失真。由于傳感器的種類很多,因此可能需要多種放大器來與傳感器正確匹配。比較時髦的是儀表放大器、斬波穩(wěn)定放大器、低噪聲放大器和輸入偏置消磁放大器。每個系統(tǒng)解決方案都有不同的需求,應(yīng)當與針對方案進行優(yōu)化的放大器匹配使用。

            如果需要濾波(多數(shù)情況下是需要的),可以把濾波電路放在放大器周圍,或是串接到系統(tǒng)中。濾波本身就是一門藝術(shù)。有上百種在線程序能夠幫助你設(shè)計系統(tǒng)所需的電路。Intersil公司提供了一個免費工具——iSim Active Filter Designer[1],它組合了實際的電路設(shè)計技巧和濾波器設(shè)計上的經(jīng)驗。

            筆者認為,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是信號鏈中最重要的選擇,通常也是第一個被選定的模塊。選用什么樣的ADC將決定系統(tǒng)的比特數(shù)、系統(tǒng)速度和主耗能模塊之一。選定拓撲會產(chǎn)生不同的折中,這要依需求而定。只要說上幾個拓撲的名字,就足以把一個正常人搞暈了:△型、流水線型、逐次接近型、快速型(Flash)和積分型。最難理解的拓撲可能是△型。這是一種過采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,通常工作在低頻,不過也有幾種產(chǎn)品的頻率突破了1MHz。△ADC具有最高的分辨率(比如24位),這種ADC可用于稱重、溫度控制和儀表當中。逐次逼近型ADC也被稱為“SAR”ADC,因為這種ADC使用一個逐次逼近寄存器,在分辨率和速度上做了折中,工作頻率從1kHz到幾兆赫茲,并提供中等精度。積分型轉(zhuǎn)換器是低速轉(zhuǎn)換器,原因是這種轉(zhuǎn)換器需要花時間對輸入信號進行平均。由于這種轉(zhuǎn)換器可以濾掉電源噪聲(50Hz或60Hz),因此對直流測量來說是非常好的選擇。快速型ADC的工作頻率可以超過1GHz,但精度只有10位。為實現(xiàn)這么高的速度,快速型ADC要消耗大量的能量,因為ADC要在一步內(nèi)計算出轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果你選擇在功耗上做出讓步,使用一個兩級方案,就被稱為多級轉(zhuǎn)換器。如果你選擇3級甚至更多級方案,那你通??梢苑Q之為流水線型轉(zhuǎn)換器。流水線型ADC的工作頻率從55kHz到500MHz,分辨率可以高達16位。

            數(shù)字信號處理通常是由微控制器(MCU)或FPGA完成的??梢愿鶕?jù)分辨率、速度、占位(尺寸)和功耗來選擇這些功能塊。很多時候,選擇器件的理由是設(shè)計者以前使用過這些器件,對器件很熟悉。設(shè)計者還要讓ADC產(chǎn)生的信號或需要的信號保持一致。事實上,有許多內(nèi)置ADC和DAC的此類器件可供使用。這些內(nèi)置的轉(zhuǎn)換器對簡單的解決方案來說已經(jīng)足夠了,但不少無法提供分立ADC和DAC所具有的性能。

            如果你決定使用一個分立DAC封裝,你還會碰到一系列的速度、分辨率、功耗和性能問題,就像ADC一樣。DAC有一種△拓撲,其過采樣類似于對應(yīng)的高質(zhì)量ADC。兩個更簡單的DAC是R-2R和電阻串。而R-2R配置依賴于匹配程度,電阻串可以保證單調(diào)性(輸入電壓每增加一點,輸出電壓會相應(yīng)地增加)。

            無論要驅(qū)動的負載是什么,都要用輸出放大器對DAC進行緩沖。在某些情況下,根據(jù)DAC的輸出信號,這個放大器還必須把電流轉(zhuǎn)換成電壓。在這一級里可能需要濾波,對濾波的需求類似于輸入部分。

            為了讓討論相對簡單一些,我們沒有涉及系統(tǒng)中的其他部件。記住,每個功能塊都需要干凈的電源軌,許多還需要一個來自電壓參考或數(shù)字電位計的電壓。此外,良好的電源旁路和出色的布線技巧也會增加成功的機會。


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          關(guān)鍵詞: 信號鏈 DAC 201012

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