模擬前端（AFE）原理及選型指南

一些公司，包括ADI、Linear、Maxim和Silicon Labs采用硅CMOS增加儀器型ADC編程能力。其差別在于編程能力的類(lèi)型一狀態(tài)機(jī)或微控制器。如Linear 公司的ADC在輸入具有引腳短接編程多路轉(zhuǎn)換器，這種性能受到過(guò)程控制系統(tǒng)或傳感器設(shè)計(jì)工程技術(shù)人員的喜愛(ài)。

不同的供應(yīng)商對(duì)多路ADCAFE有不同的設(shè)計(jì)。這包括引腳短接或寄存器控制(通過(guò)并行接口)編程單或多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

Linear 公司的LTC1850/51AFE片上8通道多路轉(zhuǎn)換器向10或12位連續(xù)漸近ADC傳送信號(hào)(見(jiàn)圖1)。AFE具有掃描模式，可在8個(gè)多路轉(zhuǎn)換通道間重復(fù)循環(huán)，并用連續(xù)掃描的16位地址和配置按順序編程。也可以讀回時(shí)序存儲(chǔ)器。所有這些均通過(guò)短接AFE引腳來(lái)控制。

LTC1850家族中的每一款8位和10位產(chǎn)品都包含一對(duì)單連續(xù)漸近ADC和內(nèi)置8通道多路轉(zhuǎn)換器。絕對(duì)采樣率可達(dá)1.25Msamples/s。但是，實(shí)際的采樣率取決于采樣的輸入數(shù)量。也就是說(shuō)，如果設(shè)計(jì)僅要求兩個(gè)輸入通道，那么，每個(gè)通道應(yīng)連接多路轉(zhuǎn)換器的4個(gè)輸入，而每個(gè)通道的取樣率應(yīng)為625Ksamples/s。當(dāng)每個(gè)多路轉(zhuǎn)換器通道有不同的輸入時(shí)，吞吐量為156Ksamples/s。

ADI公司的AD7266采用類(lèi)似的設(shè)計(jì)理念。該器件集成了兩個(gè)獨(dú)立的12位連續(xù)漸近ADC，允許同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換兩個(gè)通道，吞吐率達(dá)2Msamples/s。每個(gè)ADC前面加有一個(gè)3通道多路轉(zhuǎn)換器和一個(gè)抵噪聲、寬帶跟蹤保持放大器(可處理超過(guò)10MHz的輸入頻率)。每個(gè)ADC有兩個(gè)模擬輸入，可編程3個(gè)全差分對(duì)或6個(gè)單端通道。每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，可在單獨(dú)數(shù)據(jù)線(xiàn)上同時(shí)讀取或在同一數(shù)據(jù)線(xiàn)上連續(xù)讀取。

Maxim公司的1402多路轉(zhuǎn)換的信號(hào)較少，但分辨率較高，用Δ-Σ調(diào)制器和數(shù)字分樣濾波器可以達(dá)到16位精度(圖2)。數(shù)字濾波器的用戶(hù)可選擇取樣因數(shù)，允許降低轉(zhuǎn)換分辨率以換來(lái)較高的輸出數(shù)據(jù)率。在輸出數(shù)據(jù)率480sps可實(shí)現(xiàn)真正的16位性能?？稍O(shè)置MAX1402的輸入多路轉(zhuǎn)換器，用來(lái)管理3個(gè)全差分信號(hào)或6個(gè)偽差分信號(hào)。多路轉(zhuǎn)換器的后面是兩個(gè)斬波放大器、一個(gè)可編程增益放大器(PGA，增益1~128)、一個(gè)用于消除系統(tǒng)漂移的粗DAC和一個(gè)2階Δ-Σ轉(zhuǎn)換器。1位數(shù)據(jù)流被可配置為SINC1或SINC3的集成數(shù)字濾波器濾波。轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過(guò)一個(gè)SPI/QSPI兼容的3線(xiàn)串行接口得到。

Silicon Labs的C8051 F350采用“多數(shù)字，少模擬”設(shè)計(jì)，這是公司最新推出的帶片上ADC的8051兼容MCU。它集成有8通道24位100ksamples/s轉(zhuǎn)換器、50MHzCPU。外設(shè)包括雙8位DAC和溫度傳感器以及串行通信外設(shè)(UART，SPI，SMBus串行口)。

同樣，Microchip 公司的PIC16F684、PIC16F688和PIC12F683 PIC基MCU 包含10位連續(xù)漸近ADC和8輸入多路轉(zhuǎn)換器。

更為復(fù)雜的是Cypress公司的pSoC家族，具有一組復(fù)雜的數(shù)字和模擬單元，完全可以電路內(nèi)重新編程。一個(gè)pSoC IC模擬單元可包含多達(dá)4個(gè)ADC(6~14位分辨率，可選擇流水線(xiàn)、Δ-Σ和連續(xù)漸近架構(gòu))；2、4和6極帶通、低通和陷波濾波器；6~9位DAC；PGA。pSoC設(shè)計(jì)工具包括2個(gè)預(yù)配置Δ-Σ轉(zhuǎn)換器模型。一個(gè)具有8位分辨率，64X過(guò)取樣并適合32ksamples/s。另一個(gè)具有11位分辨率，256X過(guò)取樣，適合7.8ksamples/s。

在A(yíng)FE中采用內(nèi)插設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單，因此，將該功能內(nèi)插到AFE中較為可取，并簡(jiǎn)化了數(shù)字主機(jī)芯片對(duì)其進(jìn)行的輸送。這也意味著芯片間的接口可以更低的速率工作，清除了可能的電磁干擾源。

ADI公司的AD9862是一款雙12/14位、128Msamples/s ADC，帶有取樣濾波器和數(shù)字Hilbert濾波器。當(dāng)濾波器使能時(shí)，它執(zhí)行一次Hilbert轉(zhuǎn)換，將單通道輸入數(shù)據(jù)分解為I和Q分量，用做圖像抑制結(jié)構(gòu)部分。然后，用片上數(shù)字復(fù)雜調(diào)制器對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。某些AFE也可能包括直接數(shù)字合成和數(shù)字混頻器，所以在接收通道，D-S轉(zhuǎn)換內(nèi)含數(shù)字濾波。D-S轉(zhuǎn)換在窄帶無(wú)線(xiàn)應(yīng)用中特別有用，因?yàn)樗哂懈哌x擇性和非常高的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍。

根據(jù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員可能會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，D-S轉(zhuǎn)換采用的頻率達(dá)到幾兆赫茲。開(kāi)始，D-S應(yīng)用目標(biāo)是高分辨率、慢速響應(yīng)應(yīng)用(如稱(chēng)重)；后來(lái)應(yīng)用到音頻領(lǐng)域。工藝的進(jìn)步使得D-S結(jié)構(gòu)將取樣速度增加到20Msamples/s，使有效帶寬增加到2.5MHz，同時(shí)提供16位有效分辨率。

另一方面，盡管D-S轉(zhuǎn)換在窄帶無(wú)線(xiàn)應(yīng)用(通過(guò)分立PF信道的語(yǔ)音通信)中頗具吸引力，但是，其架構(gòu)不適于寬帶應(yīng)用。相反，連續(xù)漸近轉(zhuǎn)換器通常用于工業(yè)控制和測(cè)量中的高速帶寬應(yīng)用?，F(xiàn)在，16位300Msamples/s連續(xù)漸近轉(zhuǎn)換器較為普遍。

流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換器成本較低，可用于只需8位或12位分辨率和10Msamples/s轉(zhuǎn)換率的應(yīng)用。流水線(xiàn)架構(gòu)導(dǎo)致等待時(shí)間，但具有較高的芯片處理效率。一個(gè)12位流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換器需要4095個(gè)比較器和一個(gè)大芯片，導(dǎo)致芯片功耗很高。

相比較而言，通過(guò)分級(jí)轉(zhuǎn)換，流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換器所需要的比較器數(shù)量大大減少，但要以犧牲6個(gè)或7個(gè)等待時(shí)間周期為代價(jià)。等待時(shí)間只是反饋控制系統(tǒng)中的一個(gè)潛在問(wèn)題。在通信系統(tǒng)中這不是問(wèn)題，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的等待時(shí)間對(duì)于整個(gè)信號(hào)鏈絡(luò)的延遲來(lái)說(shuō)是微不足道的。

在此之前，人們?cè)懻撨^(guò)插入式濾波器放在DAC之前的原因。盡管Maxim公司的MAX1402在D-S轉(zhuǎn)換器之后包含一個(gè)分樣濾波器，但不會(huì)在流水線(xiàn)ADC的輸出有一個(gè)分樣濾波器。從經(jīng)濟(jì)角度看，在采用價(jià)廉ADC時(shí)可以在模擬域加入一個(gè)表面聲波濾波器和另外濾波器。

有線(xiàn)通信用AFE