在數(shù)據(jù)饑渴的時(shí)代，信號(hào)鏈設(shè)計(jì)應(yīng)該注意哪些方面

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的日益火爆，云和邊緣平臺(tái)上的高性能計(jì)算讓無所不在的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)有了更迫切的需求。從我們的個(gè)人健康和移動(dòng)生活到家庭和辦公室，這些數(shù)據(jù)讓整個(gè)社會(huì)的運(yùn)轉(zhuǎn)變得越來越聰明。

我們正在通過越來越多的傳感器監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的各個(gè)方面。這些傳感器產(chǎn)生的信號(hào)往往是低振幅且自帶噪聲。通常情況下，它們具有非線性特征，在大多數(shù)情況下，它們需要從現(xiàn)實(shí)世界的模擬值轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字值。每一條信號(hào)鏈提煉并轉(zhuǎn)換這些原始測(cè)量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送到計(jì)算/處理資源，在滿足生活的數(shù)據(jù)需求方面起著至關(guān)重要的作用。

常見信號(hào)鏈特征

一般來說，信號(hào)鏈將包含一些關(guān)鍵元件，比如傳感器 (或數(shù)據(jù)采集硬件)、信號(hào)放大器和濾波器，最后是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，用于采樣和數(shù)字化條件信號(hào)以進(jìn)行后續(xù)處理或存儲(chǔ)。

可能需要一個(gè)或多個(gè)放大級(jí)，例如跨阻放大器 (TIA) 和電壓增益放大器。此外，可能需要使用多個(gè)濾波器將信號(hào)鏈隔離到某個(gè)頻率范圍內(nèi)，對(duì)高頻信號(hào)實(shí)施抗混疊，并消除特定頻率下不需要的信號(hào) (例如來自交流電源的干擾) 。根據(jù)傳感器的輸出，可能需要在濾波之前放大信號(hào)，不過噪聲也可能隨之放大?；蛘撸部梢韵冗M(jìn)行濾波。

逐次逼近寄存器 (SAR) 或Sigma-Delta ADC可能最適合用于對(duì)濾波和放大后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。SAR ADC往往比Sigma-Delta ADC具有更短的延遲，盡管最大采樣率通常也更低。Sigma-Delta ADC的優(yōu)點(diǎn)包括高分辨率和高能源效率，并且通常還集成了更多功能部件 (如濾波器、多路復(fù)用器或輸入緩沖器)。

圖1：通用信號(hào)鏈組件 (資料來源：貿(mào)澤電子)

在工業(yè)溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

溫度據(jù)說是現(xiàn)實(shí)世界中最常被監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。熱電偶可以檢測(cè)工業(yè)應(yīng)用中的極高溫度，但輸出電壓很小 (通常只有幾毫伏)。信號(hào)鏈組件 (如圖2所示) 必須確保高放大器增益、低噪聲和低漂移。

還必須監(jiān)測(cè)參考溫度以提供冷端補(bǔ)償 (CJC)，從而使儀器生成與熱電偶探頭感測(cè)到的溫度相對(duì)應(yīng)的輸出電壓。CJC通常使用電阻式溫度檢測(cè)器 (RTD) 或硅基溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。電阻式溫度檢測(cè)器需要一個(gè)激勵(lì)電壓，這是所使用的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)必須提供的。

熱電偶、電阻式溫度檢測(cè)器和熱敏電阻表現(xiàn)出不一致的線性度，這必須在信號(hào)鏈中以某種方式進(jìn)行校正。就熱電偶而言，在給定的溫度變化下，輸出電壓的變化由塞貝克 (Seebeck) 系數(shù)決定。由于該系數(shù)在熱電偶的工作溫度范圍內(nèi)不是恒定的，因此最好選擇一種在其工作溫度范圍內(nèi)提供最高線性度響應(yīng)的類型。為此，設(shè)計(jì)工程師可以參考印制電路板協(xié)會(huì) (IPC)類別，這些類別對(duì)各類熱電偶的屬性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。例如，IPC S型熱電偶的有效溫度范圍約為0℃至1500℃，提供合理線性度的溫度范圍約為900℃至1250℃。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶類型的參考表，例如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST) 發(fā)布的參考表，使線性度能夠以數(shù)字方式得到校正，降低了信號(hào)鏈內(nèi)線性校正的復(fù)雜性。

圖2：熱電偶信號(hào)鏈?zhǔn)纠?(資料來源：貿(mào)澤電子)

由于熱電偶的每個(gè)物理電氣連接都不可避免地會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的熱連接，因此必須注意確保除溫度傳感探頭和冷連接之外的所有連接都是相同的溫度。

在醫(yī)療/保健監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著大家對(duì)身體狀況自我監(jiān)測(cè)以及更快、更具成本效益的醫(yī)療保健的需求日益增長(zhǎng)，人們需要使用臨床級(jí)儀器或消費(fèi)類設(shè)備 (如運(yùn)動(dòng)腕表) 更輕松地感知自己的生物指標(biāo) (如體溫、血氧和心率)。與需要處理大量信號(hào)的熱敏電阻和RTD溫度傳感器相比，硅基溫度傳感器具有更出色的線性度、穩(wěn)定性和易用性。雖然它們檢測(cè)的溫度范圍較窄 (通常為-20℃至70℃)，但對(duì)于醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備的體溫監(jiān)測(cè)來說已是綽綽有余。

Maxim的MAX30208是一種臨床級(jí)數(shù)字溫度傳感器，針對(duì)無創(chuàng)式的直接體溫測(cè)量進(jìn)行了優(yōu)化。溫度水平在封裝頂部進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)區(qū)域最容易貼在皮膚表面，受自加熱問題影響最小 (因?yàn)殡娫措娏魇峭ㄟ^IC引腳進(jìn)入的)。針腳經(jīng)過優(yōu)化，允許傳感器安裝在能從主機(jī)處理器遠(yuǎn)程定位的柔性印制電路板上，I2C接口允許多個(gè)傳感器組成的菊花鏈在身體的多個(gè)點(diǎn)捕捉數(shù)據(jù)，以獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果。MAX30308測(cè)量體溫的誤差在±0.1℃以內(nèi)，并包含集成信號(hào)鏈電路和32位FIFO，以簡(jiǎn)化與主機(jī)處理器的交互。

在監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)時(shí)，臨床級(jí)監(jiān)護(hù)儀傳統(tǒng)上依賴于貼在身上的多個(gè)傳感器傳來的心電圖 (ECG) 信號(hào)。最近，光電容積脈搏波描記法 (PPG) 傳感技術(shù)應(yīng)用到了一種小型非侵入式可穿戴設(shè)備，如健身腕帶或指夾式脈搏血氧儀，能提供可接受的測(cè)量精度。PPG傳感的工作原理是將光照進(jìn)皮膚，通過人體組織傳輸光，并測(cè)量反射或傳輸?shù)男盘?hào)。血容積的微小變化都可以量化，從而計(jì)算出血氧飽和度、心率和呼吸率等指標(biāo)。另外也可以據(jù)此推斷出身體組織的健康狀況和器官功能狀況。

來自PPG儀器光學(xué)傳感器的電壓信號(hào)包含一個(gè)與血容積和骨頭及組織的光學(xué)特性相關(guān)的直流分量，以及一個(gè)由與心跳相對(duì)應(yīng)的血容積變化引起的交流分量。另外還存在其他由身體活動(dòng) (如呼吸) 產(chǎn)生的小信號(hào)。

設(shè)計(jì)可穿戴式心率監(jiān)護(hù)儀的信號(hào)鏈要從發(fā)射器開始，發(fā)射器可以是綠色LED，也可以是紅色和紅外LED的組合。光源的波長(zhǎng)和強(qiáng)度決定了穿透深度和接收的信號(hào)強(qiáng)度，并且可以調(diào)整以獲得最佳準(zhǔn)確度。另一方面，LED驅(qū)動(dòng)器會(huì)在傳輸?shù)男盘?hào)中引入噪聲，設(shè)計(jì)師還必須考慮功耗。

接收端的信號(hào)鏈必須對(duì)光電探測(cè)器輸出進(jìn)行采樣，負(fù)責(zé)消除環(huán)境光，過濾信號(hào)，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。光電探測(cè)器的輸出是電流信號(hào)，其振幅可以小于nA級(jí)別或高達(dá)幾十μA。需要一個(gè)跨阻放大器 (TIA) 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)必須考慮信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍、信噪比 (SNR)、電路板利用率，以及與抗混疊濾波器和TIA等元件相關(guān)的功耗。幸運(yùn)的是，可穿戴消費(fèi)級(jí)心率監(jiān)護(hù)儀不斷增長(zhǎng)的巨大市場(chǎng)讓工程師們可以選擇集成模擬前端 (AFE)，如Texas Instruments公司的AFE4490或Maxim公司的MAX30110/12。這兩款單芯片解決方案均包含LED驅(qū)動(dòng)器和完整的光電探測(cè)器信號(hào)鏈。這些器件提供了一種方便的機(jī)制來克服諸如使用Sigma-Delta ADC來控制光電二極管電流、濾波、緩沖、放大和轉(zhuǎn)換之類的挑戰(zhàn)。

在成像領(lǐng)域的應(yīng)用

人體心率和工業(yè)流程溫度等參數(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，對(duì)信號(hào)鏈的速度和采樣率要求也不高。MAX30110/12支持高達(dá)3.2kSPS的采樣率，以滿足脈搏血氧測(cè)定或心率監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需求。在圖像傳感或工業(yè)機(jī)器視覺等應(yīng)用中，信號(hào)速度和采樣率要比這高得多，需要特別考慮。

簡(jiǎn)單的成像系統(tǒng)，比如用于檢查或材料分析的近紅外光譜設(shè)備，可以采用需要冷卻的線性光電二極管，以將熱噪聲和信號(hào)調(diào)節(jié)的影響降至最低。Analog DevicesADA4807精密低噪聲放大器具有180MHz的-3dB帶寬，非常適合搭配該公司的ADAQ7980單芯片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用。ADAQ7980系統(tǒng)包含一個(gè)1MSPS低噪聲SAR ADC ，功率隨采樣率而變化，從而最大限度地提高效率。ADA4807通過集成具有低輸入噪聲和軌對(duì)軌輸出的高帶寬ADC驅(qū)動(dòng)器來最小化失真，為設(shè)計(jì)工程師省去了電路布局和元件選擇等不必要的麻煩。內(nèi)部電源架構(gòu)和外部精密電壓基準(zhǔn)的提供也有助于通過降低系統(tǒng)噪聲來保持信號(hào)完整性。

使用高速攝像頭和視頻監(jiān)控應(yīng)用的機(jī)器視覺對(duì)信號(hào)采集提出了更高的要求。高速取幀器使用通信協(xié)議 (如Camera Link，定義從255Mbps到680Mbps的視頻傳輸速度) 實(shí)現(xiàn)與攝像頭的連接和與主機(jī)PC的交互 (通常通過PCI或PCI Express)。取幀器通常還實(shí)現(xiàn)重要的視頻預(yù)處理功能，例如增益控制、瑕疵像素補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展。這些經(jīng)常需要在實(shí)時(shí)幀率下完成。設(shè)計(jì)取幀器是一個(gè)重大的工程挑戰(zhàn)，通常使用提供所需信號(hào)處理性能的FPGA來實(shí)現(xiàn)，并且能夠在同一設(shè)備上運(yùn)行機(jī)器視覺算法。

結(jié)論

從傳感器捕捉信號(hào)，以便為任意應(yīng)用 (無論是消費(fèi)類應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用還是醫(yī)療應(yīng)用) 創(chuàng)建信息流數(shù)據(jù)，需要對(duì)信號(hào)鏈的每個(gè)組成部分都有深入的理解。這包括從傳感器一直到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在每個(gè)環(huán)節(jié)都要選擇合適的器件，然后進(jìn)行正確的集成。對(duì)于許多應(yīng)用來說，都可以使用單芯片前端，它可以有效地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

審核編輯：郭婷