面向便攜式應用的精密模擬信號鏈讓精準測量更加便捷

傳感器是物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、各種自動化系統(tǒng)以及我們用于測量和分析各種技術性能的工具的重要輸入組件。雖然目前的許多傳感器都集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，但傳統(tǒng)的模擬信號鏈對于精確測量應用仍然非常重要，特別是在測試和測量場景中。

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作者：JJ DeLisle

測試和測量儀器（圖1）通常會結合高性能傳感器、模擬處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理、數(shù)字存儲和數(shù)字通信技術。對于低精度測試儀器或一般通信和傳感技術，模擬信號處理電路通常很小，但足以向負責大多數(shù)信號處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 提供足夠保真的信號。

圖1： 一種用于檢測厚鋼板缺陷的超聲波測試。（圖源：sakarin14/stock.adobe.com）

不過對于測試和測量儀器而言，僅靠數(shù)字信號處理是不夠的。模擬信號的傳入保真度決定了儀器所能達到的最高精度和糾錯能力。這就是為什么在數(shù)字電子技術時代，模擬信號處理依然存在并發(fā)揮著重要作用。盡管數(shù)字處理技術非常優(yōu)秀，但高質(zhì)量的模擬信號鏈設計仍然無可替代。

便攜式儀器對設計提出了更多的要求。市場需要緊湊、精確、功能豐富且易于使用的測試和測量儀器。這些儀器要能夠提供較寬的性能范圍，同時采用最新的有線和無線通信技術并保持低功耗。對于便攜式測試和測量儀器，模擬處理必須使用超低功耗 (ULP)、高精度且盡可能緊湊的設計來完成。

本文將探討在便攜式測量應用中實施低功耗精密信號鏈的利弊。

定義模擬信號鏈、精密信號鏈和超低功耗

模擬信號鏈是指模擬信號在電路上通過的路徑，從熱電偶、應變計和壓力傳感器等傳感器開始，經(jīng)過數(shù)字化或進一步處理（如收集、顯示或存儲），再到最終的模擬處理階段為止。它通常還涉及其他組件，如放大器、濾波器以及通過ADC進行數(shù)字化之前的相關電子設備。

精密模擬信號鏈在設計時要設置性能參數(shù)，保證在將信號調(diào)節(jié)到所需水平的同時，將系統(tǒng)不確定性降至最低，為高質(zhì)量捕獲信號做好準備。低功耗模擬信號鏈專為使用有限電量（如便攜式電池）長時間低功率運行而設計。

低功耗系統(tǒng)通常部署在限制產(chǎn)品尺寸和重量，且難以提供外部電源或更換電池的環(huán)境中。因此，許多低功耗系統(tǒng)設計為在低電壓下長時間使用微安級的電流。極端情況下，超低功耗系統(tǒng)可能設計為僅使用一枚紐扣電池運行數(shù)月或數(shù)年。這些超低功耗系統(tǒng)通常部署在難以進入的環(huán)境中，但可以為關鍵系統(tǒng)或大樓維護提供重要的安全、安?；虮O(jiān)控功能。

便攜式測試和測量系統(tǒng)通常是低功耗模擬系統(tǒng)，一般用相對高效的便攜式電池組、低壓直流電源（如USB電源、電池組、12V汽車電源系統(tǒng)）或可再生能源（如太陽能、風能和電磁能）供電。這些系統(tǒng)還可以從移動系統(tǒng)的慣性能量中獲取能量，例如當用戶行走或移動時。此外，曲柄式旋轉(zhuǎn)發(fā)電裝置可用于專為極端偏遠環(huán)境而設計的設備，在這些環(huán)境中，沒有其他可再生能源好用。例如，洞穴、礦井、水下環(huán)境、偏遠山區(qū)、凍原環(huán)境和其他極端環(huán)境中的科學考察。未來的登月或其他天體探索可能也需要專為更極端環(huán)境而設計的超低功耗/低功耗模擬信號鏈，以及各種低功率電源。

重要性能參數(shù)

下面將列出并介紹精密模擬信號鏈最常見的重要電氣性能參數(shù)：

?本底噪聲、附加噪聲和動態(tài)范圍

?最大/最小電壓、電流和功率

?頻率范圍

?線性度

?不確定性

?差分或單端

?共模抑制

?電源抑制

?其他傳感器輸入特性

模擬信號鏈的本底噪聲、附加噪聲和動態(tài)范圍決定了信號鏈在僅引入特定不確定性的情況下能夠傳輸?shù)男盘柕淖钚『妥畲箅妷?、電流或功率。如果信號低于本底噪聲（包括信號鏈中各元素產(chǎn)生的固有噪聲），可能無法準確捕獲。模擬和數(shù)字濾波方法可用于增強系統(tǒng)從噪聲中提取信號的能力，但前提是要事先了解具體信號的特征，這會增加復雜性和功耗。超過一定電壓、電流或功率范圍的信號可能會超出信號鏈的處理能力，導致某些模擬電路組件和設備信號失真、過載，甚至出現(xiàn)應變引起的滯后。信號鏈的線性度也會影響相關限值，線性度越差，動態(tài)范圍就會越小，從而影響信號的最大頻率和分辨率。

對于能夠有效傳輸?shù)男盘?，每個信號鏈都有相應的頻率下限和上限。通常情況下，模擬信號鏈的本底噪聲、信號電平、頻率范圍和線性度是系統(tǒng)性能的限值參數(shù)，每個模擬組件、設備和路線都會影響所捕獲信號的整體不確定性。濾波和信號處理方法（如加窗和求平均值）可以降低不確定性。最終，不確定性可能會影響可接受信號范圍的電平下限或信號強度，以及所捕獲信號的可靠性。

根據(jù)傳感器或首選信號鏈的類型，傳感器和首選信號鏈可以配置為差分或單端。差分信號鏈通常具有更強的抗噪能力，并受益于更好的共模抑制和電源抑制。不過，有些類型的傳感器是純單端式，單端信號鏈通常更節(jié)能，也更簡單。差分信號鏈需要所有差分組件、設備和布線，其復雜度約為單端信號鏈的兩倍。而且，它只能使用差分放大器和濾波器設計。有電路方法可以在單端和差分類型之間來回轉(zhuǎn)換，這種方法在高噪聲環(huán)境下或單端信號鏈更可行時比較受歡迎。

有些傳感器具有必須通過附加電路才能實現(xiàn)的獨特屬性。例如，電流和電壓極低的傳感器可能需要高增益儀表放大器或?qū)Ｓ秒娏髂Ｊ絻x表放大器來保持信號。否則，這些傳感器可能需要很長時間（即傳感器響應時間）才能達到適合讀取的穩(wěn)定狀態(tài)。在這種情況下，工程師可以另外添加模擬電路，此電路能長期累積信號能量，且不會造成損失或引入錯誤。

便攜式應用的權衡

為了使模擬信號鏈便于攜帶，電子設備和電路通常在尺寸、重量和功率方面有一定限制。模擬電子設備還需要能夠抵御沖擊、振動、重力和壓力，并能夠抵御腐蝕性氣體和液體、潮濕、水分、碎屑、物理污染物以及超出規(guī)定范圍的溫度等危險因素。

大型模擬傳感器和電路元件的功率效率、穩(wěn)固性和環(huán)境適應性不夠出色，通常不適合便攜式測試和測量儀器。而且，在臺式或?qū)嶒炇覂x器無法使用的情況下，通常也會使用便攜式儀器（圖2）。便攜式儀器還可用于關鍵的工業(yè)、政府/國防、醫(yī)療、科研或安保應用。因此，這些儀器承擔著重大責任，促使客戶要求保證可靠性和準確性。

圖2：農(nóng)業(yè)應用中的土壤測試用于評估土壤的pH值。（圖源：wellphoto/stock.adobe.com）

尺寸和功率會限制模擬濾波器的設計和復雜度，這些濾波器通常包含按特定配置排列的電感器、電容器、電阻器、開關和晶體管。限制濾波器的尺寸和復雜度也會降低濾波器的性能，從而影響模擬信號鏈的整體性能。同樣，限制模擬放大器的尺寸和功率也會影響其增益、線性度、頻率范圍和可用拓撲結構。降低放大器的性能會顯著降低模擬信號鏈的整體動態(tài)范圍及其最大/最小電壓、電流和功率。另外，具有低附加噪聲的高增益放大器對于提取極低功率的傳感器信號至關重要；所以降低放大器性能也會限制傳感器的可用類型。限制模擬信號鏈組件的功率和尺寸，也意味著更精確的電路拓撲結構和組件/器件可能無法用于模擬信號鏈，從而導致信號鏈中因使用精度較低的電路元件和設計而增加不確定性。

工程師可以使用校準標準和協(xié)議來提高特定傳感器和模擬信號鏈的性能。然而，校準方法要求在測試和測量設備中內(nèi)置額外的組件、步驟和電路。因此對于便攜式儀器來說，內(nèi)置或更緊湊的校準系統(tǒng)可能比外部校準電子設備更實用。不過這些系統(tǒng)與實驗室級校準系統(tǒng)和標準的性能不在同一水平。由于空間、功率、復雜性和成本限制，校準電路也可能簡化。

因此，在設計時可能需要付出更多的努力來克服模擬組件、設備和電路技術帶來的限制。另外可能還需要使用更節(jié)能的技術來驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)字電子設備；因此，如果將部分模擬信號鏈集成到IC中，那么這部分模擬信號鏈可能位于一個較小的工藝節(jié)點中，無法優(yōu)化模擬性能。當模擬電路靠近噪聲發(fā)生器，或模擬信號鏈/數(shù)字電路的其他部分產(chǎn)生的串擾時，電路更緊湊也會帶來挑戰(zhàn)。如果處理不當，電路不同部分產(chǎn)生的噪聲和串擾會降低模擬信號鏈的動態(tài)范圍或增加不確定性。便攜式電子設備通常更難屏蔽，因為外部干擾和噪音往往更大。

結語

便攜式測試和測量設備的性能通常無法與臺式或?qū)嶒炇覂x器相提并論，因為需要權衡本文所述的利弊。然而，憑借創(chuàng)新的設計和豐富的經(jīng)驗，工程師們可以克服許多設計挑戰(zhàn)，并權衡與模擬信號鏈便攜相關的取舍。超低功耗電子元器件、先進材料和電路拓撲結構的進步，使得創(chuàng)建緊湊、高效、高精度的模擬信號鏈成為可能。通過將尖端技術與扎實的設計經(jīng)驗相結合，開發(fā)人員能夠在便攜式儀器中實現(xiàn)卓越的準確性和可靠性，滿足市場對尺寸更小、功能更強、更節(jié)能的測試和測量解決方案不斷增長的需求。雖然代價不可避免，但該領域的進步正在不斷突破極限，使高性能便攜式儀器能夠用于各種關鍵應用。

作者簡介

Jean-Jacques (JJ) DeLisle曾就讀于羅切斯特理工學院 (RIT)，并獲得了電氣工程學士和碩士學位。在學習期間，JJ從事射頻/微波研究，為大學雜志撰稿，并且是RIT第一個即興喜劇團的成員。在拿到學位之前，JJ就擔任了Synaptics公司的集成電路布局和自動化測試設計工程師。經(jīng)過6年開發(fā)和鑒定內(nèi)置同軸天線和無線傳感器技術的原創(chuàng)性研究，JJ在提交了多篇技術論文并獲得一項美國專利后離開了RIT。為了進一步發(fā)展他的事業(yè)，JJ和妻子Aalyia搬到了紐約市。在這里，他擔任了《Microwaves & RF》（微波與射頻）雜志的技術工程編輯。在此期間，JJ學會了如何將他的射頻工程技能與技術寫作熱情結合起來。在JJ職業(yè)生涯的下一個階段，他看到行業(yè)內(nèi)對有技術能力的作者和客觀的行業(yè)專家有很大的需求，于是轉(zhuǎn)而創(chuàng)辦了自己的公司RFEMX。朝著這個目標前進，JJ擴大了自己公司的業(yè)務范圍和愿景，開始從事信息交換服務 (IXS) 業(yè)務。