更高的集成度、更低的成本需要更深入的系統(tǒng)理解

行業(yè)分析師們一致認(rèn)為未來(lái)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是移動(dòng)便攜、“綠色”節(jié)能，以及在終端設(shè)備中集成更多的傳感器。這種發(fā)展趨勢(shì)，要求模數(shù) (ADC) 轉(zhuǎn)換器和數(shù)模 (DAC) 轉(zhuǎn)換器具有更多的通道數(shù)、更高的速度和性能，同時(shí)還要求更低的功耗預(yù)算、更小的尺寸以及更低的成本。

各大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器廠(chǎng)商通過(guò)制造更多集成了其他電路組件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對(duì)這些需求做出了積極的響應(yīng)。盡管在許多微處理器內(nèi)核周?chē)写罅康耐鈬O(shè)備，一些性能需求正推動(dòng)許多特殊模擬前端或者其他模擬“配套”芯片的發(fā)展，其與一顆單獨(dú)的處理器一起工作。

例如，TI 最近推出了 ADS1298，其為一款完整的心電圖(ECG)系統(tǒng)前端。它將八個(gè)具有可編程增益放大器和大量輔助電路的 24 位 ADC 封裝到一個(gè)單 BGA 或者 TQFP 封裝中。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為單封裝集成系統(tǒng)的組成部分，因此它們往往變得更加實(shí)用;ADS1298 的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)涉及了許多具體的功能和術(shù)語(yǔ)，ECG 設(shè)備領(lǐng)域以外的一些制造廠(chǎng)商對(duì)此可能并不熟悉。是否這就意味著您只能將ADS1298 用于 ECG 應(yīng)用呢?

若想研究這些集成器件并了解其如何使您的系統(tǒng)受益，只需將它們拆分開(kāi)來(lái)，看其如何實(shí)現(xiàn)所謂的信號(hào)鏈，如圖 1 所示。

圖 1 信號(hào)鏈結(jié)構(gòu)圖

圖 1 所示結(jié)構(gòu)圖可代表信號(hào)處理的所有系統(tǒng)。如果它是一個(gè)測(cè)量或者數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，則信號(hào)鏈開(kāi)始于傳感器，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路，進(jìn)入一個(gè) ADCr，然后結(jié)束于處理器。如果它是一個(gè)控制系統(tǒng)、一個(gè)音頻處理系統(tǒng)亦或是一個(gè)軟件定義無(wú)線(xiàn)電設(shè)備則可能存在一些必須變回到模擬信號(hào)的處理器輸出;這種情況顯示在結(jié)構(gòu)圖的右手側(cè)二分之一處。

不管您要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是什么類(lèi)型，都有一種較好的方法來(lái)確定實(shí)現(xiàn)您信號(hào)鏈的一些組件。一般而言，處理器是首先要選擇的第一種組件。這種選擇，一般基于對(duì)器件的熟悉程度(其為您的公司在先前設(shè)計(jì)中已經(jīng)使用過(guò)的處理器)，或者針對(duì)某些外圍設(shè)備以及其擁有的功能來(lái)做出選擇。因此，您在圖 1 所示結(jié)構(gòu)圖的中心位置開(kāi)始，然后向外層層發(fā)展。

這就意味著，下一個(gè)選擇的就是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，而以模擬電路作為開(kāi)始是符合邏輯的。假設(shè)我們正在設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，則我們只需與一個(gè)ADC 打交道。確定您的測(cè)量需要多高的分辨率以及需要多快的測(cè)量速度是一個(gè)重要的決定。當(dāng)然，還有許多其他方面需要考慮，但是兩個(gè)重要的方面是速度和分辨率。請(qǐng)注意，我并沒(méi)有說(shuō)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有多少位之類(lèi)的話(huà)——只是說(shuō)您的測(cè)量需要多高的分辨率，它是一些物理參數(shù)。因此，最好是說(shuō)您的測(cè)量需要至少 250ppm 的分辨率，而不是說(shuō)選擇一個(gè) 12 位的轉(zhuǎn)換器。

如果我們的設(shè)計(jì)過(guò)程真的是自?xún)?nèi)向外，下一個(gè)便是信號(hào)調(diào)節(jié)，但其目的是使用傳感器提供的所有信號(hào)，然后讓其與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍匹配。因此，我們首先必須理解傳感器提供給我們的是什么樣的信號(hào)。我們假設(shè)傳感器最大可輸出 2V，則 2*250ppm = 0.5mV 便是您希望在傳感器能夠測(cè)量到的結(jié)果。

現(xiàn)在，您可以考慮如何測(cè)量 0.5mV 變化。解決這一問(wèn)題的一種方法是，使用一個(gè)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益，以匹配您轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)刻度范圍—我們假設(shè)為 5V。增益 2.5 以后，傳感器的 0.5mV 變?yōu)?1.25mV，因此轉(zhuǎn)換器需要從 5V 中解析出1.25mV，即 1/4000。所以，一個(gè) 12 位的轉(zhuǎn)換器便可以勝任。另一種方法是，使用一個(gè)更高分辨率的轉(zhuǎn)換器，可以直接測(cè)量 0.5mV，不再需要信號(hào)調(diào)節(jié)。使用哪種方法，具體取決于去除放大器而使用高分辨率轉(zhuǎn)換器以后，所節(jié)省功耗和體積的大小，以及節(jié)省成本的多少。還存在另外一種情況，即傳感器阻抗如此之高以至于其無(wú)法直接進(jìn)入到轉(zhuǎn)換器中，因此去除放大器便不是一種選項(xiàng)。

理解系統(tǒng)信號(hào)鏈并了解每個(gè)模塊的需求可以幫助您確定這些高度集成的轉(zhuǎn)換器中，是否真的有一種轉(zhuǎn)換器對(duì)您的設(shè)計(jì)有所幫助。您當(dāng)然可以將 ADS1298 用于 ECG 以外的系統(tǒng)，但僅當(dāng)您的信號(hào)鏈需要所有器件內(nèi)部模塊時(shí)，它帶來(lái)的諸多好處才具有吸引力。

在以后的文章中，我們將介紹準(zhǔn)確采集信號(hào)并以數(shù)字域表示的一些基礎(chǔ)知識(shí)。許多我們想當(dāng)然的經(jīng)驗(yàn)法則或者建議都需要具體情況具體分析，目的是理解給出這些建議的原因，以便在給定具體系統(tǒng)要求的情況下幫助您了解如何運(yùn)用這些法則和建議。

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