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型一狀態(tài)機或微控制器。如Linear 公司的ADC在輸入具有引腳短接編程多路轉換器，這種性能受到過程控制系統(tǒng)或傳感器設計工程技術人員的喜愛。

不同的供應商對多路ADCAFE有不同的設計。這包括引腳短接或寄存器控制(通過并行接口)編程單或多數(shù)據(jù)轉換器。

Linear 公司的LTC1850/51AFE片上8通道多路轉換器向10或12位連續(xù)漸近ADC傳送信號(見圖1)。AFE具有掃描模式，可在8個多路轉換通道間重復循環(huán)，并用連續(xù)掃描的16位地址和配置按順序編程。也可以讀回時序存儲器。所有這些均通過短接AFE引腳來控制。

LTC1850家族中的每一款8位和10位產(chǎn)品都包含一對單連續(xù)漸近ADC和內(nèi)置8通道多路轉換器。絕對采樣率可達1.25Msamples/s。但是，實際的采樣率取決于采樣的輸入數(shù)量。也就是說，如果設計僅要求兩個輸入通道，那么，每個通道應連接多路轉換器的4個輸入，而每個通道的取樣率應為625Ksamples/s。當每個多路轉換器通道有不同的輸入時，吞吐量為156Ksamples/s。

ADI公司的AD7266采用類似的設計理念。該器件集成了兩個獨立的12位連續(xù)漸近ADC，允許同時采樣和轉換兩個通道，吞吐率達2Msamples/s。每個ADC前面加有一個3通道多路轉換器和一個抵噪聲、寬帶跟蹤保持放大器(可處理超過10MHz的輸入頻率)。每個ADC有兩個模擬輸入，可編程3個全差分對或6個單端通道。每個通道的轉換結果，可在單獨數(shù)據(jù)線上同時讀取或在同一數(shù)據(jù)線上連續(xù)讀取。

Maxim公司的1402多路轉換的信號較少，但分辨率較高，用Δ-Σ調制器和數(shù)字分樣濾波器可以達到16位精度(圖2)。數(shù)字濾波器的用戶可選擇取樣因數(shù)，允許降低轉換分辨率以換來較高的輸出數(shù)據(jù)率。在輸出數(shù)據(jù)率480sps可實現(xiàn)真正的16位性能?？稍O置MAX1402的輸入多路轉換器，用來管理3個全差分信號或6個偽差分信號。多路轉換器的后面是兩個斬波放大器、一個可編程增益放大器(PGA，增益1~128)、一個用于消除系統(tǒng)漂移的粗DAC和一個2階Δ-Σ轉換器。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。轉換結果可通過一個SPI/QSPI兼容的3線串行接口得到。

Silicon Labs的C8051 F350采用“多數(shù)字，少模擬”設計，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轉換器、50MHzCPU。外設包括雙8位DAC和溫度傳感器以及串行通信外設(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輸入多路轉換器。

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

在AFE中采用內(nèi)插設計相對較簡單，因此，將該功能內(nèi)插到AFE中較為可取，并簡化了數(shù)字主機芯片對其進行的輸送。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。當濾波器使能時，它執(zhí)行一次Hilbert轉換，將單通道輸入數(shù)據(jù)分解為I和Q分量，用做圖像抑制結構部分。然后，用片上數(shù)字復雜調制器對復雜數(shù)據(jù)做進一步處理。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轉換內(nèi)含數(shù)字濾波。D-S轉換在窄帶無線應用中特別有用，因為它具有高選擇性和非常高的瞬時動態(tài)范圍。

根據(jù)轉換器結構進行設計的工程技術人員可能會驚奇地發(fā)現(xiàn)，D-S轉換采用的頻率達到幾兆赫茲。開始，D-S應用目標是高分辨率、慢速響應應用(如稱重)；后來應用到音頻領域。工藝的進步使得D-S結構將取樣速度增加到20Msamples/s，使有效帶寬增加到2.5MHz，同時提供16位有效分辨率。

另一方面，盡管D-S轉換在窄帶無線應用(通過分立PF信道的語音通信)中頗具吸引力，但是，其架構不適于寬帶應用。相反，連續(xù)漸近轉換器通常用于工業(yè)控制和測量中的高速帶寬應用?，F(xiàn)在，16位300Msamples/s連續(xù)漸近轉換器較為普遍。

流水線轉換器成本較低，可用于只需8位或12位分辨率和10Msamples/s轉換率的應用。流水線架構導致等待時間，但具有較高的芯片處理效率。一個12位流水線轉換器需要4095個比較器和一個大芯片，導致芯片功耗很高。

相比較而言，通過分級轉換，流水線轉換器所需要的比較器數(shù)量大大減少，但要以犧牲6個或7個等待時間周期為代價。等待時間只是反饋控制系統(tǒng)中的一個潛在問題。在通信系統(tǒng)中這不是問題，因為轉換器的等待時間對于整個信號鏈絡的延遲來說是微不足道的。

在此之前，人們曾討論過插入式濾波器放在DAC之前的原因。盡管Maxim公司的MAX1402在D-S轉換器之后包含一個分樣濾波器，但不會在流水線ADC的輸出有一個分樣濾波器。從經(jīng)濟角度看，在采用價廉ADC時可以在模擬域加入一個表面聲波濾波器和另外濾波器。

有線通信用AFE