简单通用模拟前端使其在特定应用中发挥作用并实用

将传感器连接到模数转换器的简单通用模拟前端（AFE）对于没有模拟设计经验的工程师来说是一个很好的起点。我们探索额外的电路和概念，以定制设计，使其在特定应用中发挥作用并实用。

介绍

大多数有几年经验的工程师都遇到过“功能蠕变”——不断向设备添加额外功能的趋势，使原始产品变得更加复杂和难以使用。同时，还有一个真正的危险，我们将给每个客户带来只有一小部分人需要或想要的东西/功能的成本。这正是通用模拟前端（AFE）的问题所在。

一个奇特的例子怎么样？假设图 1 是一辆休闲车，里面整齐地装满了家的所有舒适设施。这可能非常实用...话又说回来，也许不是。仅仅因为我们淋浴和使用浴缸并不意味着我们会在汽车顶部使用浴缸。这是功能蠕变，有些项目可能会失控，需要加以控制。

现在，回到我们的主要主题，AFE。AFE将我们的模拟世界连接到数字处理器，以便做出决策。第一反应可能是，“让我们做一个通用的AFE”，一种适用于每种应用的设计。当我们开始时，现实开始了。传感器、限压器件、限流器件、上升时间降低器和许多其他器件（表1）的清单非常长，速度非常快。那么，通用AFE如何才能真正优雅呢？它能有太多的功能吗？那就太贵了？我们是这么认为的。

但首先让我们讨论一个成功的通才，人体，然后将一些人类传感概念与AFE机器联系起来。

我们如何感知模拟？

“普遍”或“一般”的真正含义是什么？“一刀切。”这很容易说，我们以前都在某处看到过它。但实际上，要有效地做到这一点是极其困难的。在服装中，“一刀切”实际上意味着一种尺寸适合大多数人。合身可能不是最佳的，也不是最好的，但它应该有效......或多或少。

与其他动物的个体感官力量相比，人体是多面手。我们拥有通常被认为是与我们的模拟世界相连的五种感官：视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。我们奇妙的大脑使这一切变得有意义。人们通常做得很好，但某些动物在特定感官上表现出色。例如，一只鹰具有非凡的视力，在高空飞行，它可以看到一只老鼠，俯冲下来，保持鼠标对焦，然后攻击。对于听力，谷仓猫头鹰可以在绝对黑暗中探测、飞行和捕捉老鼠。长期以来，我们一直使用狗的嗅觉来寻找人并检测毒品和爆炸物。鲶鱼的味蕾几乎是人类的两倍，并利用它们在浑浊的水中寻找食物并检测毒药。1对于触摸，

猫的胡须非常敏感，可以帮助它非常准确地判断大小和距离。但是海豹的胡须每根头发拥有更多的神经纤维，也许是动物王国中最精细的胡须。使用它们，海豹可以追踪在180米（591英尺）外游泳的鱼，即使是最浑浊的水域。

大猩猩有巨大的上半身力量;大象移树;鸟类利用地球磁场和紫外线飞行和导航;猎豹以每小时 60 英里（每小时 97 公里）的速度奔跑;松鼠在细小的树枝上保持平衡。关键是人类通常做得很好;然而，有些动物使用特定的感觉要好得多。还要记住，即使是我们的人体也为每种感官使用不同的器官。例如，耳朵不是好眼睛。在这些情况下，“一刀切 - 一种模拟感 - 适合所有人”几乎是不正确的。

数字工程师世界中的模拟问题

在过去的几年里，许多学校向工程专业的学生教授数字计算机科学，但很少涉及模拟工程。因此，找到一家拥有许多数字和计算机工程师但没有具有模拟工程知识的小公司并不罕见。面对关键项目和缺乏模拟专业知识，一些经理可能会认为：“该项目主要是数字化的。只有百分之几是模拟的，而且在前端。我就派人去拿模拟。现在，数字工程师必须争先恐后地开发新的专业知识。许多AFE参考设计都可用，但它们往往非常特定于应用。在实践中，通用AFE通常没有多大帮助。因此，数字工程师需要一个桥接器，一种简单的方法来确保他/她考虑了所有潜在的模拟错误和电路困难。工程师需要更多有用的参考工具。请参阅侧栏：参考书协助 AFE 设计，了解有关新参考书的更多信息。

通用AFE设计的难点

机器与模拟世界的接口如何？通用 AFE 是否比特定于应用程序的 AFE 更好？经验告诉我们，“一种尺寸”，即一般的AFE设计，并不适合所有人，因为应用范围广，要求也不同。事实上，通用的、通用的AFE很快就会变得繁琐、复杂、负担不起，最终是不够的。相反，针对特定应用的前端在技术上更好，设计更实惠。最终，设计人员必须真正了解应用程序。

我们从最简单的基本典型AFE的轮廓开始（图3）。这种设计看起来很简单，但它缺乏的是使其出现问题和繁琐的原因。

图 3.模拟世界最简单、最典型的通用 AFE 接口。

我们可以用图 3 做些什么来优化 AFE 性能？一切，不多。在我们定义要感知的内容之前，在我们真正了解最终应用之前，我们无法针对特定应用优化此基本设计。模数转换器（ADC）之前的运算放大器（op amp）提出了许多可能的功能，包括增益、阻抗转换、静电放电（ESD）保护、奈奎斯特滤波和射频（RF）保护。3

我们需要预测应用中的大多数 ESD、电磁干扰 （EMI） 和射频干扰 （RFI） 漏洞。图4中的简单接口电路展示了电路中80%的共性，以及优化设计的20%预期。4

图4.20%/80%接口电路，可应用于输入点和输出点。

此外，图3所示的简单运算放大器可能需要将多个运算放大器配置为仪表放大器，以处理具有大型共模元件的差分信号。它可能需要处理2mV至100V满量程。也许运算放大器应该变成输入阻抗小于8Ω或高于1kΩ的100极点低通滤波器。不幸的是，在我们知道应用程序之前，我们不知道需要什么。

现在让我们考虑输入电路保护。图 4 是一本关于在不知道具体应用的情况下可能需要什么的想法的食谱。我们可以将 ESD、EMI、EMS 和 RFI 设备分为三类：

限压器件：气体放电放电器、金属氧化物压敏电阻、抑制二极管、三端双向可控硅、变频器和开关

限流装置：保险丝、断路器和热断路器

上升时间减速器：电阻器、电感器、线圈、铁氧体磁珠和电容器，所有这些都会减缓瞬态的上升时间，从而使其他保护器件有时间发挥作用。

事实上，该应用程序可以测量无数的因素，总结在表 1 中，每个因素都会影响我们如何优化 AFE。

表 1.测量的物理模拟属性 并转换为数字信号进行处理

 

加速度	溶解氧	离子浓度	位置	时间
声学/声音	距离	重力	权力	飞行时间
角度	能源	可见光、红外光、紫外线	压力	力矩
生物样品	流	位置	辐射，形式	速度
电容	力	大小	率	振动
电荷（电子）	频率	磁场	电阻	粘性
化学品和气体	摩擦	质量	分辨率	电压
传导率	硬度	取向	盐度	卷
计数	湿度	渗透性	速度	大众汽车
当前	阻抗	酸碱度	充电状态 （SOC）	水的纯度
密度	电感	阶段	粘附	重量
尺寸	强度	投	温度	无线电

 

对于特定于应用程序的 AFE，还有更多注意事项。请记住，精明的工程师非常了解应用程序。附近有无线电 （RF） 发射器吗？保安有1W或更高功率的对讲机吗？如果输入没有受到不必要的RF干扰保护，就会发生许多看似随机的大型系统错误。距离 2 英寸的传感器和数百英尺外的另一个传感器需要以不同的方式进行保护。5例如，同一电路板上的温度传感器不太可能拾取大量RF干扰;然而，数百英尺的电线是一根很好的天线。好的做法是在此输入上放置一个低通滤波器。有人可能会说无线电信号远远高于我的奈奎斯特滤波器，所以我的奈奎斯特滤波器就足够了。因此，由于奈奎斯特滤波器通常需要陡峭的截止频率，因此廉价的有源运算放大器滤波器是令人满意的。这里的危险在于，在奈奎斯特滤波器有机会作用于信号之前，RF信号被ESD或其他半导体解调和下变频。在第一个二极管或晶体管之前在输入端使用简单的RC或LC滤波器可以防止这种情况发生。6

那么我们现在能做什么呢？我们可以添加电路和模块，使通用AFE适应特定应用。从我们衡量的一些事情开始，以及一些要避免的陷阱。我们的系统需要像大型建筑一样建造——它们需要良好的坚实基础。这个基础是清洁能源和接地，没有它们，系统就无法以全效率运行。没有经验的工程师遇到的一个陷阱是电源和接地的原理图符号过于简单（图 5）。

图5.来自电源和接地典型系统原理图的四张纸。电源和接地的不明确方向会导致布局和制造过程中的混乱，并且很可能导致性能不佳。

首先，我们意识到原理图是电气图，而不考虑印刷电路板（PCB）的物理布局。也就是说，PC 布局人员必须拥有比图 3 中的基本信息更多的信息，以确保电源和接地协同工作。7拥有多个原理图（上面的A，B，C，D）并将它们与网络名称捆绑在一起并没有错。有几件事会使原理图看起来令人困惑。因此，我们看到四个地面符号必须明确描述它们与定义的恒星地面点的连接。

从数字表A开始，有两个地面符号，没有解释;大多数设备都提供数字电压。因为功率去耦电容器8在B表上找到，它们与逻辑器件的关系是未知的。FPGA或微处理器通常有多个电源连接，但我们目前只展示了一个。在B表上，作为模拟和数字电源输入的24V之间的关系是未知的。这是同一个 24V 为工作表 D 上的电机提供电压吗？C表上有四个接地：一个模拟接地、连接器上的一个未知接地，以及ADC上的一个模拟地和一个数字地。应参考ADC数据手册，了解连接这两个接地的正确方法。9在工作表D上，预驱动器具有模拟电源和未知接地，而驱动器和电机具有24V和不同的接地。所有这些电源和接地的混淆都可以通过一个良好的系统地图来消除，该地图指定了电源和接地之间的相互作用。

系统应用中的另一个关键变量是电力线的质量。长线路为无线电波的大功率尖峰提供了机会，可以与所需的交流电压一起行驶。第一种防御模式是低通共模交流电源输入滤波器。10接下来要考虑的是电源尖峰如何影响开关电源，以及抑制了多少尖峰？即使功率尖峰被抑制，仍然有两个关键考虑因素：抑制多少，以及开关稳压器的输出纹波是否会因输入变化而变化？输出电感、电容和其他滤波是否控制输入尖峰误差？如果开关稳压器后面有一个低压差线性稳压器（LDO），该稳压器是传递报告尖峰还是去耦，从而使这些误差不起作用？通用 AFE 未解决这些注意事项。

系统是否必须遵守任何标准或法规？许多现代工业都有某种形式的这些。快速示例包括用于智能电网部署的 G3-PLC 和艾默生过程管理白皮书，其中解释了标准在化工厂中的应用。11在设计过程的早期，必须了解任何法规和标准，以便您做出正确的组件选择。在将不合格电路引入市场后试图改变它总是会引起工程和制造方面的麻烦。

现在数据转换呢？信号处理？数据隔离？在特定于应用程序的 AFE 中运行许多不同的功能，因此已经写了很多关于该主题的书籍。与其谈论参考资料中已经涵盖的主题，不如停在这里。我们重申，设计工程师必须了解应用并认识到设计AFE的许多考虑因素。通用AFE可作为数字工程师的起点，以及有关如何为应用程序自定义AFE的其他知识。

审核编辑：郭婷