新基建熱潮下，模擬前端（AFE）“魔改”之路

2020年起，“新基建”的熱度一直不減，根據(jù)北大光華管理學(xué)院的研究數(shù)據(jù)，在未來五年時間內(nèi)，新基建和傳統(tǒng)基建數(shù)字化升級所帶來的直接投資將會達到17.5萬億元，由此帶動產(chǎn)業(yè)鏈上下游產(chǎn)業(yè)規(guī)模增加更是高達28.8萬億元。如果說鋼鐵、水泥是以“鐵公機”為代表的“老基建”的基石，那么數(shù)據(jù)將是以信息技術(shù)為依托的“新基建”價值變現(xiàn)的核心要義，其重要性不言而喻。

既然“數(shù)據(jù)”被認為是新基建中一項重要的資源，那么如何獲取更多高質(zhì)量的數(shù)據(jù)也就自然而然成為一個重要課題。如果將數(shù)據(jù)看做是一座亟待挖掘的“寶礦”，那么海量的傳感器就可以算是沖在最前面的、辛勤工作的“礦工”了。不過傳感器所感知和“挖掘”出的現(xiàn)實世界的模擬信號（通常是電阻、電流和電壓等），想要變成數(shù)字世界中有用的“數(shù)據(jù)”，中間還有一個復(fù)雜的處理和轉(zhuǎn)化的過程，這就需要有一個可靠的信號鏈的加持。

信號鏈設(shè)計的變革

傳統(tǒng)信號鏈的設(shè)計大多是基于獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、放大器和其他構(gòu)建模塊而設(shè)計的（如圖1），系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且在設(shè)計實現(xiàn)時需要在功效比、測量精度或PCB占板面積等諸多因素上做折衷，這對信號鏈應(yīng)用開發(fā)者的經(jīng)驗和技能也提出了很高的要求。

圖1：典型單通道電化學(xué)氣體傳感器信號鏈

（圖源：ADI）

而且隨著傳感器應(yīng)用數(shù)量的增加、應(yīng)用場景的擴展，當(dāng)需要對多個目標(biāo)進行感測時，每個傳感器可能需要不同的偏置電壓才能正常運行，而且每個傳感器的靈敏度也可能不同，因此必須調(diào)整放大器的增益以使信號鏈性能最大化。如果仍然采用傳統(tǒng)的獨立單信號鏈架構(gòu)，開發(fā)者就不得不對每個測量通道進行配置和優(yōu)化，由此帶來的設(shè)計復(fù)雜度的增加可想而知。

解決上述信號鏈路設(shè)計挑戰(zhàn)一個最直接的辦法就是“集成”。具體來講，就是在一個模擬前端（AFE）器件中整合更多的信號通道、功能模塊，形成一個更高效、更強大的解決方案，如圖2所示，通過集成TIA（互阻放大器）增益電阻或?qū)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/506135.html">數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用作傳感器偏置電壓源等措施來簡化系統(tǒng)設(shè)計，同時實現(xiàn)多路信號通道的復(fù)用。

圖2：集成的雙通道集成氣體檢測信號鏈簡圖

（圖源：ADI）

這樣的架構(gòu)帶來的好處顯而易見：

1

簡化設(shè)計

由于信號鏈集成，測量通道復(fù)用降低了設(shè)計的復(fù)雜性，而且各個測量通道可以通過軟件來進行配置，也增加了設(shè)計的靈活性。

2

降低功耗

集成的信號鏈對功率要求也會明顯降低，這一特性對于電池供電設(shè)備尤為重要。

3

降低噪聲

這樣的設(shè)計也有利于降低信號鏈的噪聲水平，使得利用性能更好的信號處理器件（如TIA或ADC）成為可能，進而提高測量精度。

4

減小占板面積

由信號鏈集成度的提高，也會帶來系統(tǒng)PCB占板面積的減小。

除了上述這些因素，在高集成度的AFE器件設(shè)計時，還有一個很關(guān)鍵的問題需要考慮，那就是傳感器自身性能的監(jiān)測。要知道，很多傳感器在使用過程中都會面臨著性能“老化”的問題，也就是隨著使用時間的增加，傳感器的性能會發(fā)生飄移，對于那些在高溫、高濕，或者復(fù)雜水、氣環(huán)境中的傳感器，其性能的劣化還會加速。為了讓傳感器獲取的信號不失真，就需要對傳感器自身健康狀態(tài)進行測量和分析。基于這樣的信息，才可以對環(huán)境因素造成的傳感器靈敏度的損失通過智能算法作出補償，或是對性能劣化嚴(yán)重的傳感器及時更換。

如果為這樣的傳感器探查功能搭建一個專門的系統(tǒng)，顯然既費力又費錢，無法適應(yīng)在測試現(xiàn)場大規(guī)模部署的傳感器的要求，因此將傳感器診斷特性直接集成為信號鏈的一部分，也就成了一個剛需。

從以上這些應(yīng)用開發(fā)痛點的分析中我們不難看出，為滿足信號鏈設(shè)計的要求而開發(fā)一個高集成、高性能的AFE器件已經(jīng)是大勢所趨了，而如何實現(xiàn)這個目標(biāo)，就需要芯片廠商從應(yīng)用的實際出發(fā)，對產(chǎn)品線進行合理的規(guī)劃，不斷迭代優(yōu)化了。

在這方面，Analog Devices（ADI）做得就非常出色，如果我們仔細去觀察ADI近年來推出的AFE新品，就會發(fā)現(xiàn)，每款產(chǎn)品都能夠精準(zhǔn)地直擊上述的應(yīng)用開發(fā)“痛點”。下面我們就來通過幾個實例做一個更細致的分析。

AD5940/AD5941高精度模擬前端

AD594x是ADI開發(fā)的一款高精度、多功能的模擬前端，專為醫(yī)療和工業(yè)類應(yīng)用量身定制，在醫(yī)療監(jiān)護中的皮膚電活動（EDA）或皮膚電反應(yīng)（GSR）、身體阻抗分析、水分測量和生化測量，以及工業(yè)應(yīng)用中的有毒氣體分析、PH值測量、電導(dǎo)率或水質(zhì)測量方面都十分適用。

圖3：AD594x高精度模擬前端框圖

（圖源：ADI）

AD594x包括兩個高精度激勵環(huán)路和一個通用測量通道，能夠在完成測試工作的同時對傳感器進行各種探查。

第一個激勵環(huán)路是一個低功耗激勵環(huán)路，能夠生成DC至200Hz的信號，包括一個超低功耗、雙通道輸出串、DAC和一個低功耗、低噪聲恒電勢器。該DAC的一個輸出可控制恒電勢器的同相輸入，另一個輸出控制TIA的同相輸入。

第二個激勵環(huán)路包括一個12位DAC，稱為高速DAC，該DAC能夠生成最高200 kHz的高頻激勵信號。

借助通用的內(nèi)部測量通道，可對內(nèi)部電源電壓、裸片溫度和基準(zhǔn)電壓源等進行診斷測量。

一個多路復(fù)用器作為通道選擇器，可以從上述測量通道中選擇所需的信號通道輸出到后級電路，通過緩沖器、可編程增益放大器（PGA）和抗混疊濾波器連接到一個16位、800 kSPS逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

AD594x測量模塊可通過直接寄存器寫入串行外設(shè)接口（SPI）或通過使用預(yù)編程的時序控制器（可自主控制AFE芯片）進行控制。6kB的靜態(tài)隨機訪問存儲器（SRAM）劃分為深度數(shù)據(jù)先進先出（FIFO）和命令FIFO。測量命令存儲在命令FIFO中且測量結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)FIFO中。器件提供8個通用輸入/輸出（GPIO），可使用AFE時序控制器進行控制，從而可對多個外部傳感器套件進行周期精確控制。

可以看出，AD594x集成了多路測量通道，也考慮到了傳感器內(nèi)部診斷的需要，多測量通道復(fù)用一個信號鏈路，且為外部的控制器提供了必要的資源和接口，如此“全能”的器件自然會在電化學(xué)測量和生化測量中備受青睞。

ADuCM355精密模擬微控制器

你可能會認為，在提升信號鏈集成度上，AD594x已經(jīng)做得相當(dāng)?shù)轿涣?，但是否還可以在此基礎(chǔ)上更上層樓呢？ADI的回答是肯定的，作為這一肯定回答的例證，就是其最新推出的具有化學(xué)傳感器接口的ADuCM355精密模擬微控制器。

其實從名稱中就可以看出，這款器件已經(jīng)不再是一顆單純的AFE了——除了包含有兩個測量通道，一個用于傳感器診斷的阻抗測量引擎，ADuCM355還集成了一個用于運行用戶應(yīng)用程序和傳感器診斷補償算法的基于Arm Cortex-M3的超低功耗混合信號微控制器，可以控制和測量電化學(xué)傳感器和生物傳感器。

圖4：ADuCM355的簡化功能框圖

（圖源：ADI）

ADuCM355除了具有帶輸入緩沖器的16位400 kSPS多通道SAR ADC以外，還具有集成式抗混疊濾波器（AAF）和PGA。電流輸入中的TIA具有可編程增益和負載電阻，以支持不同的傳感器類型。器件的AFE功能中還包含專門針對恒電勢器設(shè)計的放大器，以相對于外部電化學(xué)傳感器保持恒定的偏置電壓。通過ADC上游的輸入多路復(fù)用模塊，可以選擇相應(yīng)的輸入通道。而這些輸入通道包括：三個外部電流輸入、多個外部電壓輸入和內(nèi)部通道。三個電壓DAC中有兩個是雙輸出DAC（DAC的第一個輸出可控制恒電勢器放大器的同相輸入，另一個控制TIA的同相輸入）；第三個高速DAC針對用于阻抗測量的高性能TIA而設(shè)計，輸出頻率范圍高達200 kHz。可見，ADuCM355基本上具有了和AD594x相同的模擬前端功能。

與此同時，該器件中的ARM Cortex-M3處理器可用于運行補償算法、存儲校準(zhǔn)參數(shù)以及運行用戶應(yīng)用程序。它具有靈活的多通道直接存儲器訪問（DMA）控制器，支持兩個獨立的串行外設(shè)接口（SPI）端口、通用異步接收器/發(fā)射器（UART）和I2C通信外設(shè)。開發(fā)者可以根據(jù)需要為特定應(yīng)用配置一系列通信外設(shè)，如UART、 I2C、兩個SPI端口和通用輸入/輸出（GPIO）端口。這些GPIO還可以與通用定時器相結(jié)合，生成脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出。

也就是說，在一顆ADuCM355上，開發(fā)者就可以實現(xiàn)AFE+MCU的功能，系統(tǒng)的架構(gòu)被進一步簡化；而ADuCM355提供的通用性和靈活性，同樣使其在工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景，為用戶提供一個更“簡單”的解決方案。

圖5：使用ADuCM355測量pH值、溫度和電導(dǎo)率的應(yīng)用框圖（圖源：ADI）

ADPD4100和ADPD4101多模式傳感器前端

除了以上的高集成AFE的設(shè)計思路，ADI也根據(jù)特定應(yīng)用的需要，開發(fā)出了其他一些很有特色的產(chǎn)品。比如隨著醫(yī)療健康領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，對于在單一設(shè)備上實現(xiàn)多種生命體征和健康指標(biāo)測量的需求越來越強烈，與此同時還需要滿足測量高精度和產(chǎn)品小型化的要求。這就讓針對此類應(yīng)用量身定制一款A(yù)FE器件顯得十分必要。

這種單一AFE解決方案需要能夠用作多參數(shù)生命體征監(jiān)測中心，支持同步測量，還需要具有低噪聲、高信噪比（SNR）、小尺寸和低功耗等特性，以便應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備，甚至是可穿戴設(shè)備中。

ADPD4100/ADPD4101就是能夠滿足上述這些需求的一款多模式傳感器AFE，它具有8個模擬輸入，支持多達12個可編程時隙——這12個時隙支持在一個采樣周期內(nèi)進行12個獨立測量。8個模擬輸入可復(fù)用成一個通道或兩個獨立通道，能夠以單端或差分配置同時對兩個傳感器進行采樣。ADPD4100/ADPD4101的集成AFE信號路徑中包括TIA、帶通濾波器（BPF）、積分器（INT）和ADC級。數(shù)字模塊可以提供多種工作模式、可編程時序、GPIO控制、模塊平均以及可選的二階至四階級聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器。數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)寄存器中讀取，或通過FIFO方法讀取。

圖6：ADPD4100/ADPD4101多模式傳感器前端框圖（圖源：ADI）

ADPD4100/ADPD4101還有一個顯著的優(yōu)勢，就是適用于光學(xué)測量相關(guān)的應(yīng)用。它可以激勵多達八個LED并在多達八個單獨的電流輸入上測量返回信號。得益于在結(jié)合BPF的同步調(diào)制方案中使用短至1μs的脈沖，ADPD4100/ADPD4101具有出色的自動環(huán)境光抑制能力，而無需外部控制環(huán)路、直流電流減除或數(shù)字算法。這使得該器件可以作為可穿戴健康和健身設(shè)備中各種電氣和光學(xué)傳感器的理想中樞，適用于心率和心率變異性（HRV）監(jiān)測、血壓估計、壓力和睡眠跟蹤，以及SpO2測量。

圖7中就顯示了一個基于ADPD4100/ADPD4101同步進行ECG心電圖、呼吸相關(guān)阻抗波和PPG光電容積脈搏波描記（利用綠光LED測量）的參考設(shè)計，這在重癥監(jiān)護中是必要而關(guān)鍵的功能。

圖7：（a）采用開爾文檢測方法進行睡眠浮空ECG和呼吸測量的外部電路；（b）ECG、呼吸和PPG同步測量示例（圖源：ADI）

總之，在新基建的大背景下，數(shù)據(jù)的挖掘和利用成為了重中之重，這也給專門處理來自傳感器的模擬信號并對其進行數(shù)字化及分析處理的AFE器件帶來了商機。不過想要把握住這個機遇，就需要對傳統(tǒng)的AFE進行一番“魔改”，令其適應(yīng)傳感器高精度、大規(guī)模部署、小型化等方面的應(yīng)用要求。當(dāng)然，這樣的“魔改”也不能任性，想要成功，必須遵循正確的技術(shù)邏輯和準(zhǔn)確的市場洞察。

本文介紹的ADI系列高集成的AFE產(chǎn)品和方案顯然是成功的案例。想要進一步體驗“魔改”后的AFE能夠為信號鏈設(shè)計開發(fā)帶來的好處，就來訪問貿(mào)澤電子相關(guān)的產(chǎn)品專題吧！