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

介紹

大多數(shù)有幾年經(jīng)驗(yàn)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(shì)，使原始產(chǎn)品變得更加復(fù)雜和難以使用。同時(shí)，還有一個(gè)真正的危險(xiǎn)，我們將給每個(gè)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(gè)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(shí)用...話又說回來，也許不是。僅僅因?yàn)槲覀兞茉『褪褂迷「撞⒉灰馕吨覀儠?huì)在汽車頂部使用浴缸。這是功能蠕變，有些項(xiàng)目可能會(huì)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(gè)通用的AFE”，一種適用于每種應(yīng)用的設(shè)計(jì)。當(dāng)我們開始時(shí)，現(xiàn)實(shí)開始了。傳感器、限壓器件、限流器件、上升時(shí)間降低器和許多其他器件（表1）的清單非常長(zhǎng)，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(rèn)為的。

但首先讓我們討論一個(gè)成功的通才，人體，然后將一些人類傳感概念與AFE機(jī)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。”這很容易說，我們以前都在某處看到過它。但實(shí)際上，要有效地做到這一點(diǎn)是極其困難的。在服裝中，“一刀切”實(shí)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(dòng)物的個(gè)體感官力量相比，人體是多面手。我們擁有通常被認(rèn)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(dòng)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(duì)焦，然后攻擊。對(duì)于聽力，谷倉(cāng)貓頭鷹可以在絕對(duì)黑暗中探測(cè)、飛行和捕捉老鼠。長(zhǎng)期以來，我們一直使用狗的嗅覺來尋找人并檢測(cè)毒品和爆炸物。鯰魚的味蕾幾乎是人類的兩倍，并利用它們?cè)跍啙岬乃袑ふ沂澄锊z測(cè)毒藥。1對(duì)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(dòng)物王國(guó)中最精細(xì)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(chǎng)和紫外線飛行和導(dǎo)航;獵豹以每小時(shí) 60 英里（每小時(shí) 97 公里）的速度奔跑;松鼠在細(xì)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(dòng)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)工程師但沒有具有模擬工程知識(shí)的小公司并不罕見。面對(duì)關(guān)鍵項(xiàng)目和缺乏模擬專業(yè)知識(shí)，一些經(jīng)理可能會(huì)認(rèn)為：“該項(xiàng)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?，F(xiàn)在，數(shù)字工程師必須爭(zhēng)先恐后地開發(fā)新的專業(yè)知識(shí)。許多AFE參考設(shè)計(jì)都可用，但它們往往非常特定于應(yīng)用。在實(shí)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(gè)橋接器，一種簡(jiǎn)單的方法來確保他/她考慮了所有潛在的模擬錯(cuò)誤和電路困難。工程師需要更多有用的參考工具。請(qǐng)參閱側(cè)欄：參考書協(xié)助 AFE 設(shè)計(jì)，了解有關(guān)新參考書的更多信息。

通用AFE設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

機(jī)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(yàn)告訴我們，“一種尺寸”，即一般的AFE設(shè)計(jì)，并不適合所有人，因?yàn)閼?yīng)用范圍廣，要求也不同。事實(shí)上，通用的、通用的AFE很快就會(huì)變得繁瑣、復(fù)雜、負(fù)擔(dān)不起，最終是不夠的。相反，針對(duì)特定應(yīng)用的前端在技術(shù)上更好，設(shè)計(jì)更實(shí)惠。最終，設(shè)計(jì)人員必須真正了解應(yīng)用程序。

我們從最簡(jiǎn)單的基本典型AFE的輪廓開始（圖3）。這種設(shè)計(jì)看起來很簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化此基本設(shè)計(jì)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之前的運(yùn)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(hù)、奈奎斯特濾波和射頻（RF）保護(hù)。3

我們需要預(yù)測(cè)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(jiǎn)單接口電路展示了電路中80%的共性，以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的20%預(yù)期。4

圖4.20%/80%接口電路，可應(yīng)用于輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。

此外，圖3所示的簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器可能需要將多個(gè)運(yùn)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(hào)。它可能需要處理2mV至100V滿量程。也許運(yùn)算放大器應(yīng)該變成輸入阻抗小于8Ω或高于1kΩ的100極點(diǎn)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(hù)。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(xiǎn)絲、斷路器和熱斷路器

上升時(shí)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(huì)減緩瞬態(tài)的上升時(shí)間，從而使其他保護(hù)器件有時(shí)間發(fā)揮作用。

事實(shí)上，該應(yīng)用程序可以測(cè)量無數(shù)的因素，總結(jié)在表 1 中，每個(gè)因素都會(huì)影響我們?nèi)绾蝺?yōu)化 AFE。

表 1.測(cè)量的物理模擬屬性 并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理

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對(duì)于特定于應(yīng)用程序的 AFE，還有更多注意事項(xiàng)。請(qǐng)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(duì)講機(jī)嗎？如果輸入沒有受到不必要的RF干擾保護(hù)，就會(huì)發(fā)生許多看似隨機(jī)的大型系統(tǒng)錯(cuò)誤。距離 2 英寸的傳感器和數(shù)百英尺外的另一個(gè)傳感器需要以不同的方式進(jìn)行保護(hù)。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(gè)低通濾波器。有人可能會(huì)說無線電信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jià)的有源運(yùn)算放大器濾波器是令人滿意的。這里的危險(xiǎn)在于，在奈奎斯特濾波器有機(jī)會(huì)作用于信號(hào)之前，RF信號(hào)被ESD或其他半導(dǎo)體解調(diào)和下變頻。在第一個(gè)二極管或晶體管之前在輸入端使用簡(jiǎn)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這個(gè)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(yùn)行。沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師遇到的一個(gè)陷阱是電源和接地的原理圖符號(hào)過于簡(jiǎn)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(huì)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(shí)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(gè)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(cuò)。有幾件事會(huì)使原理圖看起來令人困惑。因此，我們看到四個(gè)地面符號(hào)必須明確描述它們與定義的恒星地面點(diǎn)的連接。

從數(shù)字表A開始，有兩個(gè)地面符號(hào)，沒有解釋;大多數(shù)設(shè)備都提供數(shù)字電壓。因?yàn)楣β嗜ヱ铍娙萜?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(gè)電源連接，但我們目前只展示了一個(gè)。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(gè) 24V 為工作表 D 上的電機(jī)提供電壓?jiǎn)幔緾表上有四個(gè)接地：一個(gè)模擬接地、連接器上的一個(gè)未知接地，以及ADC上的一個(gè)模擬地和一個(gè)數(shù)字地。應(yīng)參考ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解連接這兩個(gè)接地的正確方法。9在工作表D上，預(yù)驅(qū)動(dòng)器具有模擬電源和未知接地，而驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)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(gè)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(gè)關(guān)鍵變量是電力線的質(zhì)量。長(zhǎng)線路為無線電波的大功率尖峰提供了機(jī)會(huì)，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(gè)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(huì)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(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），該穩(wěn)壓器是傳遞報(bào)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(xiàng)。

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(jì)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(chǎng)后試圖改變它總是會(huì)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(hào)處理？數(shù)據(jù)隔離？在特定于應(yīng)用程序的 AFE 中運(yùn)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://www.brongaenegriffin.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(jì)工程師必須了解應(yīng)用并認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)AFE的許多考慮因素。通用AFE可作為數(shù)字工程師的起點(diǎn)，以及有關(guān)如何為應(yīng)用程序自定義AFE的其他知識(shí)。

審核編輯：郭婷