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高集成、低成本需求驱动信号链设计

导读: 业界分析人士都一致认为,便携性、“绿色”节能以及在终端设备中集成更多的传感器是系统发展趋势。这些趋势推动了对于模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的高通道数、高速度和高性能的需求,同时也要求更低的功耗预算、更小的尺寸和更低的成本。

  业界分析人士都一致认为,便携性、“绿色”节能以及在终端设备中集成更多的传感器是系统发展趋势。这些趋势推动了对于模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的高通道数、高速度和高性能的需求,同时也要求更低的功耗预算、更小的尺寸和更低的成本。

  数据转换器厂商们正在通过制造更多集成了其它电路组件的数据转换器来满足这些需求。许多微控制器内核的周围集中了大量的外围器件,但是一些性能需求正推动某些专用模拟前端或其它模拟“配套”芯片的发展,这些芯片与一块单独的处理器协同工作。

  例如,德州仪器(TI)最近推出的ADS1298就是一款针对心电图(ECG)系统的完整前端器件。它将8个具有可编程增益放大器的24位ADC和大量辅助电路一起集成在单个BGA或TQFP封装中。由于数据转换器成为单封装集成系统的组成部分,它们往往会趋向于更加针对特定的应用;ADS1298的产品说明书提及了许多特定的功能和术语,而ECG设备行业以外的一些制造厂商可能并不熟悉这些东西。这是否就意味着您只能将ADS1298用于ECG应用呢?

  若我们想要研究这些集成器件,并了解它们如何让您的系统受益,只需对其进行分解并看它们如何实现所谓的信号链即可,如图1所示。

  图1所示的模块图能够代表对某个信号进行处理的所有系统。如果它是一个测量或者数据采集系统,则信号链开始于传感器,通过信号调节电路处理,进入ADCr,然后以处理器作为结束。如果它是一个控制系统,或者一个音频处理系统,又或是一个软件无线电设备,那么可能会有一些必须转回模拟信号的处理器输出;具体请见该模块图的右手侧二分之一处。

 

  

  信号链模块示意图。

 

  不管您想要设计的是哪一种系统,都会有一种较好的途径来选定用于实现信号链的一些组件。一般而言,处理器是首选需要选定的组件。处理器的选定通常是基于对该器件(贵公司已经在以前的一些设计中使用过的器件)的熟悉程度,或者针对其具有的特定外围器件和功能来选择。因此,您可以从图1的中心位置开始,然后向外循序渐进。

  这就意味着数据转换器是下一个需要做出的选择,而以模拟电路作为开始是符合逻辑的。让我们假设我们正在设计一个测量系统,因此我们只需要考虑如何选择一个ADC。此时最重要的问题是您的测量系统需要多高的精度,以及您进行测量时需要多快的速度。当然,还有许多其它事项需要考虑,但重要的两个因素就是速度和精度。请注意,我并没有说数据转换器有多少位之类的话,只是指出您的测量系统需要多高的精度(物理参数)。就这点而言,更好的说法是您的测量系统需要至少250ppm的精度,而非选定一个12位的转换器。

  如果我们真的是由里向外进行设计,那么下一个步骤就是信号调节了,但其目的是接收传感器提供的所有信号,然后将其与数据转换器的输入范围匹配。因此,我们首先必须明白传感器提供给我们的是什么类型的信号。比如说,传感器最大输出可达2V,因此您所希望传感器能够测量的值为2×250ppm=0.5mV。

  现在,您可以考虑如何测量该0.5mV值的变化了。完成这项工作的一种方法是使用一个放大器对信号进行增益处理,以便让信号与您转换器的满量程范围相匹配(假设它为5V)。增益为2.5时,传感器的0.5mV变为1.25mV,因而转换器需要从5V解析出1.25mV,即1/4000。因此,一个12位转换器在此处可以发挥作用。另一种方法是使用一个可以直接测量0.5mV的高精度转换器,完全不需要进行信号调节。选择哪种方法,具体取决于省去了放大器转而采用高精度转换器所节省的功率、体积和成本。还可能存在另一种情况,即传感器的阻抗使其无法直接进入转换器,这时我们就不能去除放大器。

  理解系统信号链以及每个模块的需求,将有助于您确定这些高度集成的转换器中是否真正有一个能够帮助您完成设计。当然,您会将ADS1298用于除ECG之外的一些系统,但只有当您的信号链需要将所有模块都集成到设备内部时,它所带来的诸多好处才更具有吸引力。

  作者:Rick Downs

  德州仪器

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