更高的集成度、更低的成本需要更深入的系統理解

行業(yè)分析師們一致認為未來(lái)系統的發(fā)展趨勢是移動(dòng)便攜、“綠色”節能，以及在終端設備中集成更多的傳感器。這種發(fā)展趨勢，要求模數 (ADC) 轉換器和數模 (DAC) 轉換器具有更多的通道數、更高的速度和性能，同時(shí)還要求更低的功耗預算、更小的尺寸以及更低的成本。

各大數據轉換器廠(chǎng)商通過(guò)制造更多集成了其他電路組件的數據轉換器對這些需求做出了積極的響應。盡管在許多微處理器內核周?chē)写罅康耐鈬O備，一些性能需求正推動(dòng)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)系統前端。它將八個(gè)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(gè)單 BGA 或者 TQFP 封裝中。由于數據轉換器成為單封裝集成系統的組成部分，因此它們往往變得更加實(shí)用;ADS1298 的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)涉及了許多具體的功能和術(shù)語(yǔ)，ECG 設備領(lǐng)域以外的一些制造廠(chǎng)商對此可能并不熟悉。是否這就意味著(zhù)您只能將ADS1298 用于 ECG 應用呢?

若想研究這些集成器件并了解其如何使您的系統受益，只需將它們拆分開(kāi)來(lái)，看其如何實(shí)現所謂的信號鏈，如圖 1 所示。

圖 1 信號鏈結構圖

圖 1 所示結構圖可代表信號處理的所有系統。如果它是一個(gè)測量或者數據采集系統，則信號鏈開(kāi)始于傳感器，經(jīng)過(guò)信號調節電路，進(jìn)入一個(gè) ADCr，然后結束于處理器。如果它是一個(gè)控制系統、一個(gè)音頻處理系統亦或是一個(gè)軟件定義無(wú)線(xiàn)電設備則可能存在一些必須變回到模擬信號的處理器輸出;這種情況顯示在結構圖的右手側二分之一處。

不管您要設計的系統是什么類(lèi)型，都有一種較好的方法來(lái)確定實(shí)現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計中已經(jīng)使用過(guò)的處理器)，或者針對某些外圍設備以及其擁有的功能來(lái)做出選擇。因此，您在圖 1 所示結構圖的中心位置開(kāi)始，然后向外層層發(fā)展。

這就意味著(zhù)，下一個(gè)選擇的就是數據轉換器，而以模擬電路作為開(kāi)始是符合邏輯的。假設我們正在設計一個(gè)測量系統，則我們只需與一個(gè)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(gè)重要的決定。當然，還有許多其他方面需要考慮，但是兩個(gè)重要的方面是速度和分辨率。請注意，我并沒(méi)有說(shuō)過(guò)數據轉換器有多少位之類(lèi)的話(huà)——只是說(shuō)您的測量需要多高的分辨率，它是一些物理參數。因此，最好是說(shuō)您的測量需要至少 250ppm 的分辨率，而不是說(shuō)選擇一個(gè) 12 位的轉換器。

如果我們的設計過(guò)程真的是自?xún)认蛲?，下一個(gè)便是信號調節，但其目的是使用傳感器提供的所有信號，然后讓其與數據轉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果。

現在，您可以考慮如何測量 0.5mV 變化。解決這一問(wèn)題的一種方法是，使用一個(gè)放大器對信號進(jìn)行增益，以匹配您轉換器的滿(mǎn)刻度范圍—我們假設為 5V。增益 2.5 以后，傳感器的 0.5mV 變?yōu)?1.25mV，因此轉換器需要從 5V 中解析出1.25mV，即 1/4000。所以，一個(gè) 12 位的轉換器便可以勝任。另一種方法是，使用一個(gè)更高分辨率的轉換器，可以直接測量 0.5mV，不再需要信號調節。使用哪種方法，具體取決于去除放大器而使用高分辨率轉換器以后，所節省功耗和體積的大小，以及節省成本的多少。還存在另外一種情況，即傳感器阻抗如此之高以至于其無(wú)法直接進(jìn)入到轉換器中，因此去除放大器便不是一種選項。

理解系統信號鏈并了解每個(gè)模塊的需求可以幫助您確定這些高度集成的轉換器中，是否真的有一種轉換器對您的設計有所幫助。您當然可以將 ADS1298 用于 ECG 以外的系統，但僅當您的信號鏈需要所有器件內部模塊時(shí)，它帶來(lái)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字域表示的一些基礎知識。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要求的情況下幫助您了解如何運用這些法則和建議。

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