更高的集成度、更低的成本需要更深入的系統(tǒng)理解

行業(yè)分析師們一致認為未來系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是移動便攜、“綠色”節(jié)能，以及在終端設(shè)備中集成更多的傳感器。這種發(fā)展趨勢，要求模數(shù) (ADC) 轉(zhuǎn)換器和數(shù)模 (DAC) 轉(zhuǎn)換器具有更多的通道數(shù)、更高的速度和性能，同時還要求更低的功耗預(yù)算、更小的尺寸以及更低的成本。各大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器廠商通過制造更多集成了其他電路組件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對這些需求做出了積極的響應(yīng)。盡管在許多微處理器內(nèi)核周圍有大量的外圍設(shè)備，一些性能需求正推動許多特殊模擬前端或者其他模擬“配套”芯片的發(fā)展，其與一顆單獨的處理器一起工作。例如，TI 最近推出了 ADS1298，其為一款完整的心電圖（ECG）系統(tǒng)前端。它將八個具有可編程增益放大器和大量輔助電路的 24 位 ADC 封裝到一個單 BGA 或者 TQFP 封裝中。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為單封裝集成系統(tǒng)的組成部分，因此它們往往變得更加實用；ADS1298 的產(chǎn)品說明書涉及了許多具體的功能和術(shù)語，ECG 設(shè)備領(lǐng)域以外的一些制造廠商對此可能并不熟悉。是否這就意味著您只能將ADS1298 用于 ECG 應(yīng)用呢？若想研究這些集成器件并了解其如何使您的系統(tǒng)受益，只需將它們拆分開來，看其如何實現(xiàn)所謂的信號鏈，如圖 1 所示。圖 1 信號鏈結(jié)構(gòu)圖圖 1 所示結(jié)構(gòu)圖可代表信號處理的所有系統(tǒng)。如果它是一個測量或者數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，則信號鏈開始于傳感器，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)電路，進入一個 ADCr，然后結(jié)束于處理器。如果它是一個控制系統(tǒng)、一個音頻處理系統(tǒng)亦或是一個軟件定義無線電設(shè)備則可能存在一些必須變回到模擬信號的處理器輸出；這種情況顯示在結(jié)構(gòu)圖的右手側(cè)二分之一處。不管您要設(shè)計的系統(tǒng)是什么類型，都有一種較好的方法來確定實現(xiàn)您信號鏈的一些組件。一般而言，處理器是首先要選擇的第一種組件。這種選擇，一般基于對器件的熟悉程度（其為您的公司在先前設(shè)計中已經(jīng)使用過的處理器），或者針對某些外圍設(shè)備以及其擁有的功能來做出選擇。因此，您在圖 1 所示結(jié)構(gòu)圖的中心位置開始，然后向外層層發(fā)展。這就意味著，下一個選擇的就是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，而以模擬電路作為開始是符合邏輯的。假設(shè)我們正在設(shè)計一個測量系統(tǒng)，則我們只需與一個ADC 打交道。確定您的測量需要多高的分辨率以及需要多快的測量速度是一個重要的決定。當然，還有許多其他方面需要考慮，但是兩個重要的方面是速度和分辨率。請注意，我并沒有說過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有多少位之類的話——只是說您的測量需要多高的分辨率，它是一些物理參數(shù)。因此，最好是說您的測量需要至少 250ppm 的分辨率，而不是說選擇一個 12 位的轉(zhuǎn)換器。如果我們的設(shè)計過程真的是自內(nèi)向外，下一個便是信號調(diào)節(jié)，但其目的是使用傳感器提供的所有信號，然后讓其與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍匹配。因此，我們首先必須理解傳感器提供給我們的是什么樣的信號。我們假設(shè)傳感器最大可輸出 2V，則 2*250ppm = 0.5mV 便是您希望在傳感器能夠測量到的結(jié)果。現(xiàn)在，您可以考慮如何測量 0.5mV 變化。解決這一問題的一種方法是，使用一個放大器對信號進行增益，以匹配您轉(zhuǎn)換器的滿刻度范圍—我們假設(shè)為 5V。增益 2.5 以后，傳感器的 0.5mV 變?yōu)?1.25mV，因此轉(zhuǎn)換器需要從 5V 中解析出1.25mV，即 1/4000。所以，一個 12 位的轉(zhuǎn)換器便可以勝任。另一種方法是，使用一個更高分辨率的轉(zhuǎn)換器，可以直接測量 0.5mV，不再需要信號調(diào)節(jié)。使用哪種方法，具體取決于去除放大器而使用高分辨率轉(zhuǎn)換器以后，所節(jié)省功耗和體積的大小，以及節(jié)省成本的多少。還存在另外一種情況，即傳感器阻抗如此之高以至于其無法直接進入到轉(zhuǎn)換器中，因此去除放大器便不是一種選項。理解系統(tǒng)信號鏈并了解每個模塊的需求可以幫助您確定這些高度集成的轉(zhuǎn)換器中，是否真的有一種轉(zhuǎn)換器對您的設(shè)計有所幫助。您當然可以將 ADS1298 用于 ECG 以外的系統(tǒng)，但僅當您的信號鏈需要所有器件內(nèi)部模塊時，它帶來的諸多好處才具有吸引力。在以后的文章中，我們將介紹準確采集信號并以數(shù)字域表示的一些基礎(chǔ)知識。許多我們想當然的經(jīng)驗法則或者建議都需要具體情況具體分析，目的是理解給出這些建議的原因，以便在給定具體系統(tǒng)要求的情況下幫助您了解如何運用這些法則和建議。