原创深度:在数据饥渴的时代,信号链设计应该注意哪些方面?

作者:Mark Patrick(贸泽电子)

小到我们手中的移动网络,大到航天探索中的天地连线,都离不开微波无线通信。我们只要有一部手机,就能轻松享受到微波通信带来的便利,然而一旦发生「没信号」这种事情,你有没有抱怨过运营商「为啥就不能多搞些天线」?这种话还是放在心里面吧,否则如果身边有搞无线电基础设施的人,那你可就拉仇恨了——虽说「信号好不好」对运营商的重要性不言而喻,但提高微波无线通信的质量,远不只是轻描淡写地「搞几个天线」那么简单。

无线通信基础设施能够「建起来」,那也只是万里长征第一步;要保证设施能够稳定可靠地运作,严格、仔细的测试和测量必不可少,而微波合成器就能够用来产生测试所需的信号;这种稳定频率的无线电信号也可以用于高速转换器的时钟。

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图片来源:Anterovium/shutterstock.com

随着物联网(IoT)的日益火爆,云和边缘平台上的高性能计算让无所不在的应用对数据有了更迫切的需求。从我们的个人健康和移动生活到家庭和办公室,这些数据让整个社会的运转变得越来越聪明。

我们正在通过越来越多的传感器监测周围环境的各个方面。这些传感器产生的信号往往是低振幅且自带噪声。通常情况下,它们具有非线性特征,在大多数情况下,它们需要从现实世界的模拟值转换为计算机可处理的数字值。每一条信号链提炼并转换这些原始测量数据,将数据从传感器发送到计算/处理资源,在满足生活的数据需求方面起着至关重要的作用。

常见信号链特征

一般来说,信号链将包含一些关键元件,比如传感器(或数据采集硬件)、信号放大器和滤波器,最后是模数转换器(ADC),用于采样和数字化条件信号以进行后续处理或存储。

可能需要一个或多个放大级,例如跨阻放大器(TIA)和电压增益放大器。此外,可能需要使用多个滤波器将信号链隔离到某个频率范围内,对高频信号实施抗混叠,并消除特定频率下不需要的信号(例如来自交流电源的干扰)。根据传感器的输出,可能需要在滤波之前放大信号,不过噪声也可能随之放大。或者,也可以先进行滤波。

逐次逼近寄存器(SAR)或Sigma-Delta ADC可能最适合用于对滤波和放大后的信号进行数字化。SAR ADC往往比Sigma-Delta ADC具有更短的延迟,尽管最大采样率通常也更低。Sigma-Delta ADC的优点包括高分辨率和高能源效率,并且通常还集成了更多功能部件(如滤波器、多路复用器或输入缓冲器)。

“图1:通用信号链组件”
图1:通用信号链组件

在工业温度监测领域的应用

温度据说是现实世界中最常被监测的数据。热电偶可以检测工业应用中的极高温度,但输出电压很小(通常只有几毫伏)。信号链组件(如图2所示)必须确保高放大器增益、低噪声和低漂移。

还必须监测参考温度以提供冷端补偿(CJC),从而使仪器生成与热电偶探头感测到的温度相对应的输出电压。CJC通常使用电阻式温度检测器(RTD)或硅基温度传感器来实现。电阻式温度检测器需要一个激励电压,这是所使用的信号链设计必须提供的。

热电偶、电阻式温度检测器和热敏电阻表现出不一致的线性度,这必须在信号链中以某种方式进行校正。就热电偶而言,在给定的温度变化下,输出电压的变化由塞贝克
(Seebeck)系数决定。由于该系数在热电偶的工作温度范围内不是恒定的,因此最好选择一种在其工作温度范围内提供最高线性度响应的类型。为此,设计工程师可以参考印制电路板协会(IPC)类别,这些类别对各类热电偶的属性进行了标准化。例如,IPC S型热电偶的有效温度范围约为0°C至1500°C,提供合理线性度的温度范围约为900°C至1250°C。标准热电偶类型的参考表,例如美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的参考表,使线性度能够以数字方式得到校正,降低了信号链内线性校正的复杂性。

“图2:热电偶信号链示例”
图2:热电偶信号链示例

由于热电偶的每个物理电气连接都不可避免地会产生一个额外的热连接,因此必须注意确保除温度传感探头和冷连接之外的所有连接都是相同的温度。

在医疗/保健监测领域的应用

随着大家对身体状况自我监测以及更快、更具成本效益的医疗保健的需求日益增长,人们需要使用临床级仪器或消费类设备(如运动腕表)更轻松地感知自己的生物指标(如体温、血氧和心率)。与需要处理大量信号的热敏电阻和RTD温度传感器相比,硅基温度传感器具有更出色的线性度、稳定性和易用性。虽然它们检测的温度范围较窄(通常为-20°C至70°C),但对于医疗设备和可穿戴设备的体温监测来说已是绰绰有余。

Maxim Integrated的MAX30208是一种临床级数字温度传感器,针对无创式的直接体温测量进行了优化。温度水平在封装顶部进行测量,这个区域最容易贴在皮肤表面,受自加热问题影响最小(因为电源电流是通过IC引脚进入的)。针脚经过优化,允许传感器安装在能从主机处理器远程定位的柔性印制电路板上,I2C接口允许多个传感器组成的菊花链在身体的多个点捕捉数据,以获得最准确的结果。MAX30308测量体温的误差在±0。1°C以内,并包含集成信号链电路和32位FIFO,以简化与主机处理器的交互。

在监测心脏活动时,临床级监护仪传统上依赖于贴在身上的多个传感器传来的心电图 (ECG)信号。最近,光电容积脉搏波描记法(PPG)传感技术应用到了一种小型非侵入式可穿戴设备,如健身腕带或指夹式脉搏血氧仪,能提供可接受的测量精度。PPG传感的工作原理是将光照进皮肤,通过人体组织传输光,并测量反射或传输的信号。血容积的微小变化都可以量化,从而计算出血氧饱和度、心率和呼吸率等指标。另外也可以据此推断出身体组织的健康状况和器官功能状况。

来自PPG仪器光学传感器的电压信号包含一个与血容积和骨头及组织的光学特性相关的直流分量,以及一个由与心跳相对应的血容积变化引起的交流分量。另外还存在其他由身体活动(如呼吸)产生的小信号。

设计可穿戴式心率监护仪的信号链要从发射器开始,发射器可以是绿色LED,也可以是红色和红外LED的组合。光源的波长和强度决定了穿透深度和接收的信号强度,并且可以调整以获得最佳准确度。另一方面,LED驱动器会在传输的信号中引入噪声,设计师还必须考虑功耗。

接收端的信号链必须对光电探测器输出进行采样,负责消除环境光,过滤信号,并进行模数转换。光电探测器的输出是电流信号,其振幅可以小于nA级别或高达几十μA。需要一个跨阻放大器(TIA)将电流信号转换为电压,信号链的设计必须考虑信号动态范围、信噪比(SNR)、电路板利用率,以及与抗混叠滤波器和TIA等元件相关的功耗。幸运的是,可穿戴消费级心率监护仪不断增长的巨大市场让工程师们可以选择集成模拟前端 (AFE),如Texas Instruments的AFE4490或Maxim Integrated的MAX30110/12。这两款单芯片解决方案均包含LED驱动器和完整的光电探测器信号链。这些器件提供了一种方便的机制来克服诸如使用Sigma-Delta ADC来控制光电二极管电流、滤波、缓冲、放大和转换之类的挑战。

在成像领域的应用

人体心率和工业流程温度等参数相对简单稳定,对信号链的速度和采样率要求也不高。MAX30110/12支持高达3.2kSPS的采样率,以满足脉搏血氧测定或心率监测应用的需求。在图像传感或工业机器视觉等应用中,信号速度和采样率要比这高得多,需要特别考虑。

简单的成像系统,比如用于检查或材料分析的近红外光谱设备,可以采用需要冷却的线性光电二极管,以将热噪声和信号调节的影响降至最低。Analog DevicesADA4807精密低噪声放大器具有180MHz的-3dB带宽,非常适合搭配该公司的ADAQ7980单芯片数据采集系统使用。ADAQ7980系统包含一个1MSPS低噪声SAR ADC,功率随采样率而变化,从而最大限度地提高效率。ADA4807通过集成具有低输入噪声和轨对轨输出的高带宽ADC驱动器来最小化失真,为设计工程师省去了电路布局和元件选择等不必要的麻烦。内部电源架构和外部精密电压基准的提供也有助于通过降低系统噪声来保持信号完整性。

使用高速摄像头和视频监控应用的机器视觉对信号采集提出了更高的要求。高速取帧器使用通信协议(如Camera Link,定义从255Mbps到680Mbps的视频传输速度)实现与摄像头的连接和与主机PC的交互(通常通过PCI或PCI Express)。取帧器通常还实现重要的视频预处理功能,例如增益控制、瑕疵像素补偿和动态范围扩展。这些经常需要在实时帧率下完成。设计取帧器是一个重大的工程挑战,通常使用提供所需信号处理性能的FPGA来实现,并且能够在同一设备上运行机器视觉算法。

结论

从传感器捕捉信号,以便为任意应用(无论是消费类应用、工业应用还是医疗应用)创建信息流数据,需要对信号链的每个组成部分都有深入的理解。这包括从传感器一直到模数转换器,在每个环节都要选择合适的器件,然后进行正确的集成。对于许多应用来说,都可以使用单芯片前端,它可以有效地简化设计,缩短产品上市时间。

“作者:Mark
作者:Mark Patrick

作为贸泽欧洲EMEA团队的一员,Mark于2014年7月加入贸泽电子。此前他曾在RS Components公司担任高级营销职务。在RS之前,Mark曾在Texas Instruments担任应用支持和技术销售职务8年,并从考文垂大学 (Coventry University) 获得了电子工程一级荣誉学位。

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