從電磁流量計設計看如何利用設計便利性資源簡化產(chǎn)品設計

據(jù)國內某領先電子技術媒體的調查發(fā)現(xiàn)，模擬和混合信號電路設計是工程師最具挑戰(zhàn)性的設計任務之一。對于從事微弱信號采集的工程師來說，這樣的調查結果絕不意外。身為國內某計量設備提供商的核心設計工程師的小馬深有體會，在他去年中的電磁流量計的方案選型、驗證和樣機設計就完整地體驗了一回，過程中的經(jīng)驗體會或許對更多從事類似工作的工程師有很好的參考。

流量計作為并不為大眾所熟悉的產(chǎn)品在工業(yè)領域中其實有非常廣泛應用，該產(chǎn)品的全球市場達數(shù)十億美元之巨。然而，傳統(tǒng)的機械式流量計早已普及，價格競爭激烈、利潤空間日益減少，差異化和定制化生產(chǎn)已經(jīng)成為生產(chǎn)商激烈競爭中的一個重要突破點。如何有效獲取用戶實際需求，并且對傳統(tǒng)產(chǎn)品進行改良，是對生產(chǎn)商差異化和定制化生產(chǎn)過程的一個不小挑戰(zhàn)。越來越多的用戶接受并使用新流量計量技術，其中電磁流量計因為無壓力損耗，并且不受粘度、流體密度、溫度、壓力或電導率的影響，非常適合紙漿、泥漿、污水等的高精度測量工作而受到流量計廠商的廣泛采納。

小馬所在的企業(yè)就是其中之一，該公司去年初計劃設計新款電磁流量計。作為技術骨干，小馬負責該項目的從立項到設計的全過程，但一直以來他更擅長于數(shù)字電路系統(tǒng)設計，團隊的模擬前端電路的設計曾讓其頭疼不已。但過程中，他及時利用到ADI的部分設計資源，有效地幫助其大大壓縮了研發(fā)進程，目前大致實現(xiàn)了系統(tǒng)最初的設計目標。

利用工具套件簡化模擬電路器件選型、評估

電磁流量計作為一個成熟的產(chǎn)品，其系統(tǒng)設計其實并不簡單，涉及到包括電源、電磁激勵、信號調理、模數(shù)轉換、處理器、顯示器、鍵盤、邏輯I/O和多種通信機制，等等。項目一開始就讓小馬首先遇到了關鍵器件選型的棘手問題。除了系統(tǒng)處理器基本定型了某款他非常熟悉的32位AMR內核MCU以外，包括前端的運算放大器、儀表放大器、高精度模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器以及數(shù)字模擬信號隔離電路都未定。

曾經(jīng)有過成功使用一款ADI公司的14位ADC經(jīng)驗的小馬，首先將高精度數(shù)據(jù)轉換器鎖定到ADI公司提供的16位模數(shù)轉換器產(chǎn)品上。作為占據(jù)全球數(shù)據(jù)轉換器近半壁江山（47%，市場調研機構Databeans公司2010年數(shù)據(jù)）的ADI可以為設計工程師提供各種各樣的模數(shù)轉換器，更重要的是，ADI還提供了這些轉換器合理使用的設計便利資源，包括應用筆記、設計手冊、常見問題解答(FAQ)和各種教程。

在上次的產(chǎn)品設計中，小馬通過VisualAnalog設計軟件工具包以及ADC評估板順利抵完成了仿真、選型、評估，并解決了常見問題，過程中還參考了ADI公司提供的工具使用、評估板合理設置相關的小型教程和視頻，為后續(xù)的設計鋪平了道路。豐富的設計資源讓小馬印象深刻。事實上，ADI為每款高性能模數(shù)轉換器均提供便利的評估套件，可以幫助工程師輕松完成性能的評估和選型。

圖1：AD7682軟硬件評估平臺可提供全面的性能評估。

在ADI提供的數(shù)款16位模數(shù)轉換器中，小馬的團隊在綜合比較了轉換率、噪聲等關鍵特性后，初步確定選擇AD7682。選擇該款ADC除了因為單極性單端和差分輸入以及單電源支持雙極性輸入等特性是其項目所需要的關鍵特性外，更主要的是具競爭力的價格以及低功耗特性（后者對于電池供電的電磁流量計尤其重要）也是目前國內電磁流量計廠商所需要關切的重要競爭優(yōu)勢。ADI為AD7682所提供的完整評估套件（評估板和評估軟件平臺）為后續(xù)的ADC性能特性驗證提供了極大的便利，基于該套件小馬的團隊輕松完成對AD7682在電磁流量計應用的全面性能評估。

同時，在運算放大器和儀表放大器的選型上，小馬也將ADI的產(chǎn)品作為主要的備選。在上次的設計中，使用得得心應手的Multisim讓他記憶猶新。由ADI與NI合作開發(fā)的免費下載的仿真軟件NI Multisim ADI版本能幫助設計工程師仿真電路設計，并且為他們的項目選擇最合適的放大器芯片。NI Multisim ADI版本仿真軟件采用符合工業(yè)標準的SPICE技術，可為測試和仿真模擬電路提供直觀的仿真環(huán)境，包括從400多種ADI公司的放大器產(chǎn)品型號中選擇和評估。通過對設計的虛擬電路原型進行仿真，您可以較早地檢測出設計過程中的錯誤，從而避免了昂貴并且耗時的重復原型設計。事實上，ADI針對電磁流量計設計，還在Mulitisim中增加了相關的專門仿真模塊（例如針對放大器穩(wěn)定性等關鍵特性的仿真模塊）以方便使用。

針對電池供電應用設計、具有極低漏電流的低噪聲放大器AD8667和ADI公司為替代經(jīng)典放大器AD620推出的儀表放大器AD8220被選為其設計的放大器芯片。在DAC的選擇上，小馬的團隊采用了ADI公司的適用于工業(yè)環(huán)境、具有許多集成診斷特性16位DAC AD5422。

在確定采用ADI公司的模數(shù)轉換器和放大器芯片后，已經(jīng)有幾次成功樣片申請經(jīng)驗的小馬團隊當天就通過ADI免費樣片申請鏈接申請到各五片樣片，同時購買了相關樣片適合的評估板。由于是申請的最常用模數(shù)轉換器和放大器產(chǎn)品，ADI本地熱門器件備貨的舉措讓小馬團隊在三天后就得到了該項目所需要的關鍵器件。