簡單通用模擬前端使其在特定應(yīng)用中發(fā)揮作用并實用

將傳感器連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的簡單通用模擬前端（AFE）對于沒有模擬設(shè)計經(jīng)驗的工程師來說是一個很好的起點。我們探索額外的電路和概念，以定制設(shè)計，使其在特定應(yīng)用中發(fā)揮作用并實用。

介紹

大多數(shù)有幾年經(jīng)驗的工程師都遇到過“功能蠕變”——不斷向設(shè)備添加額外功能的趨勢，使原始產(chǎn)品變得更加復(fù)雜和難以使用。同時，還有一個真正的危險，我們將給每個客戶帶來只有一小部分人需要或想要的東西/功能的成本。這正是通用模擬前端（AFE）的問題所在。

一個奇特的例子怎么樣？假設(shè)圖 1 是一輛休閑車，里面整齊地裝滿了家的所有舒適設(shè)施。這可能非常實用...話又說回來，也許不是。僅僅因為我們淋浴和使用浴缸并不意味著我們會在汽車頂部使用浴缸。這是功能蠕變，有些項目可能會失控，需要加以控制。

現(xiàn)在，回到我們的主要主題，AFE。AFE將我們的模擬世界連接到數(shù)字處理器，以便做出決策。第一反應(yīng)可能是，“讓我們做一個通用的AFE”，一種適用于每種應(yīng)用的設(shè)計。當(dāng)我們開始時，現(xiàn)實開始了。傳感器、限壓器件、限流器件、上升時間降低器和許多其他器件（表1）的清單非常長，速度非?？?。那么，通用AFE如何才能真正優(yōu)雅呢？它能有太多的功能嗎？那就太貴了？我們是這么認為的。

但首先讓我們討論一個成功的通才，人體，然后將一些人類傳感概念與AFE機器聯(lián)系起來。

我們?nèi)绾胃兄M？

“普遍”或“一般”的真正含義是什么？“一刀切?！边@很容易說，我們以前都在某處看到過它。但實際上，要有效地做到這一點是極其困難的。在服裝中，“一刀切”實際上意味著一種尺寸適合大多數(shù)人。合身可能不是最佳的，也不是最好的，但它應(yīng)該有效......或多或少。

與其他動物的個體感官力量相比，人體是多面手。我們擁有通常被認為是與我們的模擬世界相連的五種感官：視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺。我們奇妙的大腦使這一切變得有意義。人們通常做得很好，但某些動物在特定感官上表現(xiàn)出色。例如，一只鷹具有非凡的視力，在高空飛行，它可以看到一只老鼠，俯沖下來，保持鼠標(biāo)對焦，然后攻擊。對于聽力，谷倉貓頭鷹可以在絕對黑暗中探測、飛行和捕捉老鼠。長期以來，我們一直使用狗的嗅覺來尋找人并檢測毒品和爆炸物。鯰魚的味蕾幾乎是人類的兩倍，并利用它們在渾濁的水中尋找食物并檢測毒藥。1對于觸摸，

貓的胡須非常敏感，可以幫助它非常準(zhǔn)確地判斷大小和距離。但是海豹的胡須每根頭發(fā)擁有更多的神經(jīng)纖維，也許是動物王國中最精細的胡須。使用它們，海豹可以追蹤在180米（591英尺）外游泳的魚，即使是最渾濁的水域。

大猩猩有巨大的上半身力量;大象移樹;鳥類利用地球磁場和紫外線飛行和導(dǎo)航;獵豹以每小時 60 英里（每小時 97 公里）的速度奔跑;松鼠在細小的樹枝上保持平衡。關(guān)鍵是人類通常做得很好;然而，有些動物使用特定的感覺要好得多。還要記住，即使是我們的人體也為每種感官使用不同的器官。例如，耳朵不是好眼睛。在這些情況下，“一刀切 - 一種模擬感 - 適合所有人”幾乎是不正確的。

數(shù)字工程師世界中的模擬問題

在過去的幾年里，許多學(xué)校向工程專業(yè)的學(xué)生教授數(shù)字計算機科學(xué)，但很少涉及模擬工程。因此，找到一家擁有許多數(shù)字和計算機工程師但沒有具有模擬工程知識的小公司并不罕見。面對關(guān)鍵項目和缺乏模擬專業(yè)知識，一些經(jīng)理可能會認為：“該項目主要是數(shù)字化的。只有百分之幾是模擬的，而且在前端。我就派人去拿模擬。現(xiàn)在，數(shù)字工程師必須爭先恐后地開發(fā)新的專業(yè)知識。許多AFE參考設(shè)計都可用，但它們往往非常特定于應(yīng)用。在實踐中，通用AFE通常沒有多大幫助。因此，數(shù)字工程師需要一個橋接器，一種簡單的方法來確保他/她考慮了所有潛在的模擬錯誤和電路困難。工程師需要更多有用的參考工具。請參閱側(cè)欄：參考書協(xié)助 AFE 設(shè)計，了解有關(guān)新參考書的更多信息。

通用AFE設(shè)計的難點

機器與模擬世界的接口如何？通用 AFE 是否比特定于應(yīng)用程序的 AFE 更好？經(jīng)驗告訴我們，“一種尺寸”，即一般的AFE設(shè)計，并不適合所有人，因為應(yīng)用范圍廣，要求也不同。事實上，通用的、通用的AFE很快就會變得繁瑣、復(fù)雜、負擔(dān)不起，最終是不夠的。相反，針對特定應(yīng)用的前端在技術(shù)上更好，設(shè)計更實惠。最終，設(shè)計人員必須真正了解應(yīng)用程序。

我們從最簡單的基本典型AFE的輪廓開始（圖3）。這種設(shè)計看起來很簡單，但它缺乏的是使其出現(xiàn)問題和繁瑣的原因。

圖 3.模擬世界最簡單、最典型的通用 AFE 接口。

我們可以用圖 3 做些什么來優(yōu)化 AFE 性能？一切，不多。在我們定義要感知的內(nèi)容之前，在我們真正了解最終應(yīng)用之前，我們無法針對特定應(yīng)用優(yōu)化此基本設(shè)計。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之前的運算放大器（op amp）提出了許多可能的功能，包括增益、阻抗轉(zhuǎn)換、靜電放電（ESD）保護、奈奎斯特濾波和射頻（RF）保護。3

我們需要預(yù)測應(yīng)用中的大多數(shù) ESD、電磁干擾 （EMI） 和射頻干擾 （RFI） 漏洞。圖4中的簡單接口電路展示了電路中80%的共性，以及優(yōu)化設(shè)計的20%預(yù)期。4

圖4.20%/80%接口電路，可應(yīng)用于輸入點和輸出點。

此外，圖3所示的簡單運算放大器可能需要將多個運算放大器配置為儀表放大器，以處理具有大型共模元件的差分信號。它可能需要處理2mV至100V滿量程。也許運算放大器應(yīng)該變成輸入阻抗小于8Ω或高于1kΩ的100極點低通濾波器。不幸的是，在我們知道應(yīng)用程序之前，我們不知道需要什么。

現(xiàn)在讓我們考慮輸入電路保護。圖 4 是一本關(guān)于在不知道具體應(yīng)用的情況下可能需要什么的想法的食譜。我們可以將 ESD、EMI、EMS 和 RFI 設(shè)備分為三類：

限壓器件：氣體放電放電器、金屬氧化物壓敏電阻、抑制二極管、三端雙向可控硅、變頻器和開關(guān)

限流裝置：保險絲、斷路器和熱斷路器

上升時間減速器：電阻器、電感器、線圈、鐵氧體磁珠和電容器，所有這些都會減緩瞬態(tài)的上升時間，從而使其他保護器件有時間發(fā)揮作用。

事實上，該應(yīng)用程序可以測量無數(shù)的因素，總結(jié)在表 1 中，每個因素都會影響我們?nèi)绾蝺?yōu)化 AFE。

表 1.測量的物理模擬屬性 并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理

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對于特定于應(yīng)用程序的 AFE，還有更多注意事項。請記住，精明的工程師非常了解應(yīng)用程序。附近有無線電 （RF） 發(fā)射器嗎？保安有1W或更高功率的對講機嗎？如果輸入沒有受到不必要的RF干擾保護，就會發(fā)生許多看似隨機的大型系統(tǒng)錯誤。距離 2 英寸的傳感器和數(shù)百英尺外的另一個傳感器需要以不同的方式進行保護。5例如，同一電路板上的溫度傳感器不太可能拾取大量RF干擾;然而，數(shù)百英尺的電線是一根很好的天線。好的做法是在此輸入上放置一個低通濾波器。有人可能會說無線電信號遠遠高于我的奈奎斯特濾波器，所以我的奈奎斯特濾波器就足夠了。因此，由于奈奎斯特濾波器通常需要陡峭的截止頻率，因此廉價的有源運算放大器濾波器是令人滿意的。這里的危險在于，在奈奎斯特濾波器有機會作用于信號之前，RF信號被ESD或其他半導(dǎo)體解調(diào)和下變頻。在第一個二極管或晶體管之前在輸入端使用簡單的RC或LC濾波器可以防止這種情況發(fā)生。6

那么我們現(xiàn)在能做什么呢？我們可以添加電路和模塊，使通用AFE適應(yīng)特定應(yīng)用。從我們衡量的一些事情開始，以及一些要避免的陷阱。我們的系統(tǒng)需要像大型建筑一樣建造——它們需要良好的堅實基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是清潔能源和接地，沒有它們，系統(tǒng)就無法以全效率運行。沒有經(jīng)驗的工程師遇到的一個陷阱是電源和接地的原理圖符號過于簡單（圖 5）。

圖5.來自電源和接地典型系統(tǒng)原理圖的四張紙。電源和接地的不明確方向會導(dǎo)致布局和制造過程中的混亂，并且很可能導(dǎo)致性能不佳。

首先，我們意識到原理圖是電氣圖，而不考慮印刷電路板（PCB）的物理布局。也就是說，PC 布局人員必須擁有比圖 3 中的基本信息更多的信息，以確保電源和接地協(xié)同工作。7擁有多個原理圖（上面的A，B，C，D）并將它們與網(wǎng)絡(luò)名稱捆綁在一起并沒有錯。有幾件事會使原理圖看起來令人困惑。因此，我們看到四個地面符號必須明確描述它們與定義的恒星地面點的連接。

從數(shù)字表A開始，有兩個地面符號，沒有解釋;大多數(shù)設(shè)備都提供數(shù)字電壓。因為功率去耦電容器8在B表上找到，它們與邏輯器件的關(guān)系是未知的。FPGA或微處理器通常有多個電源連接，但我們目前只展示了一個。在B表上，作為模擬和數(shù)字電源輸入的24V之間的關(guān)系是未知的。這是同一個 24V 為工作表 D 上的電機提供電壓嗎？C表上有四個接地：一個模擬接地、連接器上的一個未知接地，以及ADC上的一個模擬地和一個數(shù)字地。應(yīng)參考ADC數(shù)據(jù)手冊，了解連接這兩個接地的正確方法。9在工作表D上，預(yù)驅(qū)動器具有模擬電源和未知接地，而驅(qū)動器和電機具有24V和不同的接地。所有這些電源和接地的混淆都可以通過一個良好的系統(tǒng)地圖來消除，該地圖指定了電源和接地之間的相互作用。

系統(tǒng)應(yīng)用中的另一個關(guān)鍵變量是電力線的質(zhì)量。長線路為無線電波的大功率尖峰提供了機會，可以與所需的交流電壓一起行駛。第一種防御模式是低通共模交流電源輸入濾波器。10接下來要考慮的是電源尖峰如何影響開關(guān)電源，以及抑制了多少尖峰？即使功率尖峰被抑制，仍然有兩個關(guān)鍵考慮因素：抑制多少，以及開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波是否會因輸入變化而變化？輸出電感、電容和其他濾波是否控制輸入尖峰誤差？如果開關(guān)穩(wěn)壓器后面有一個低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），該穩(wěn)壓器是傳遞報告尖峰還是去耦，從而使這些誤差不起作用？通用 AFE 未解決這些注意事項。

系統(tǒng)是否必須遵守任何標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)？許多現(xiàn)代工業(yè)都有某種形式的這些?？焖偈纠ㄓ糜?a target="_blank">智能電網(wǎng)部署的 G3-PLC 和艾默生過程管理白皮書，其中解釋了標(biāo)準(zhǔn)在化工廠中的應(yīng)用。11在設(shè)計過程的早期，必須了解任何法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以便您做出正確的組件選擇。在將不合格電路引入市場后試圖改變它總是會引起工程和制造方面的麻煩。

現(xiàn)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換呢？信號處理？數(shù)據(jù)隔離？在特定于應(yīng)用程序的 AFE 中運行許多不同的功能，因此已經(jīng)寫了很多關(guān)于該主題的書籍。與其談?wù)搮⒖?a href="http://wenjunhu.com/soft/special/" target="_blank">資料中已經(jīng)涵蓋的主題，不如停在這里。我們重申，設(shè)計工程師必須了解應(yīng)用并認識到設(shè)計AFE的許多考慮因素。通用AFE可作為數(shù)字工程師的起點，以及有關(guān)如何為應(yīng)用程序自定義AFE的其他知識。

審核編輯：郭婷