原创 更高的集成度、更低的成本需要更深入的系统理解

作者：Rick Downs，德州仪器 (TI)

行业分析师们一致认为未来系统的发展趋势是移动便携、“绿色”节能，以及在终端设备中集成更多的传感器。这种发展趋势，要求模数 (ADC) 转换器和数模 (DAC) 转换器具有更多的通道数、更高的速度和性能，同时还要求更低的功耗预算、更小的尺寸以及更低的成本。

各大数据转换器厂商通过制造更多集成了其他电路组件的数据转换器对这些需求做出了积极的响应。尽管在许多微处理器内核周围有大量的外围设备，一些性能需求正推动许多特殊模拟前端或者其他模拟“配套”芯片的发展，其与一颗单独的处理器一起工作。
例如，TI 最近推出了 ADS1298，其为一款完整的心电图（ECG）系统前端。它将八个具有可编程增益放大器和大量辅助电路的 24 位 ADC 封装到一个单 BGA 或者 TQFP 封装中。由于数据转换器成为单封装集成系统的组成部分，因此它们往往变得更加实用；ADS1298 的产品说明书涉及了许多具体的功能和术语，ECG 设备领域以外的一些制造厂商对此可能并不熟悉。是否这就意味着您只能将ADS1298 用于 ECG 应用呢？
若想研究这些集成器件并了解其如何使您的系统受益，只需将它们拆分开来，看其如何实现所谓的信号链，如图 1 所示。

图 1 信号链结构图
 

图 1 所示结构图可代表信号处理的所有系统。如果它是一个测量或者数据采集系统，则信号链开始于传感器，经过信号调节电路，进入一个 ADCr，然后结束于处理器。如果它是一个控制系统、一个音频处理系统亦或是一个软件定义无线电设备则可能存在一些必须变回到模拟信号的处理器输出；这种情况显示在结构图的右手侧二分之一处。
不管您要设计的系统是什么类型，都有一种较好的方法来确定实现您信号链的一些组件。一般而言，处理器是首先要选择的第一种组件。这种选择，一般基于对器件的熟悉程度（其为您的公司在先前设计中已经使用过的处理器），或者针对某些外围设备以及其拥有的功能来做出选择。因此，您在图 1 所示结构图的中心位置开始，然后向外层层发展。
 

这就意味着，下一个选择的就是数据转换器，而以模拟电路作为开始是符合逻辑的。假设我们正在设计一个测量系统，则我们只需与一个ADC 打交道。确定您的测量需要多高的分辨率以及需要多快的测量速度是一个重要的决定。当然，还有许多其他方面需要考虑，但是两个重要的方面是速度和分辨率。请注意，我并没有说过数据转换器有多少位之类的话——只是说您的测量需要多高的分辨率，它是一些物理参数。因此，最好是说您的测量需要至少 250ppm 的分辨率，而不是说选择一个 12 位的转换器。
如果我们的设计过**的是自内向外，下一个便是信号调节，但其目的是使用传感器提供的所有信号，然后让其与数据转换器的输入范围匹配。因此，我们首先必须理解传感器提供给我们的是什么样的信号。我们假设传感器最大可输出 2V，则 2*250ppm = 0.5mV 便是您希望在传感器能够测量到的结果。
 

现在，您可以考虑如何测量 0.5mV 变化。解决这一问题的一种方法是，使用一个放大器对信号进行增益，以匹配您转换器的满刻度范围—我们假设为 5V。增益 2.5 以后，传感器的 0.5mV 变为 1.25mV，因此转换器需要从 5V 中解析出1.25mV，即 1/4000。所以，一个 12 位的转换器便可以胜任。另一种方法是，使用一个更高分辨率的转换器，可以直接测量 0.5mV，不再需要信号调节。使用哪种方法，具体取决于去除放大器而使用高分辨率转换器以后，所节省功耗和体积的大小，以及节省成本的多少。还存在另外一种情况，即传感器阻抗如此之高以至于其无法直接进入到转换器中，因此去除放大器便不是一种选项。
 

理解系统信号链并了解每个模块的需求可以帮助您确定这些高度集成的转换器中，是否真的有一种转换器对您的设计有所帮助。您当然可以将 ADS1298 用于 ECG 以外的系统，但仅当您的信号链需要所有器件内部模块时，它带来的诸多好处才具有吸引力。
在以后的文章中，我们将介绍准确采集信号并以数字域表示的一些基础知识。许多我们想当然的经验法则或者建议都需要具体情况具体分析，目的是理解给出这些建议的原因，以便在给定具体系统要求的情况下帮助您了解如何运用这些法则和建议。