大多数具有几年经验的工程师都遇到过“功能蔓延”——不断向设备中增加额外功能，致使原始产品变得越来越复杂、越来越难以使用。同时，也面临一种真正的风险：我们将使每位客户负担众多东西/功能的成本，但其中只有很小一部分是其需要或想要的。这正是通用模拟前端(AFE)面临的问题。
举一个华而不实的例子？假设图1所示为一辆休闲汽车，其中几乎配备了家里全部的舒适设备，这可能非常实用......然而，也许不是。我们使用淋浴和浴缸，但并不意味着我们要在车顶上使用。这就是功能蔓延，有些项目会因此变得不可收拾，需要加以控制。
图1. 带有愚蠢功能的汽车：有些功能在家里很有意义，但在汽车上却毫无用处。这是不切实际的。
现在，回到我们的主题，AFE。AFE将我们的模拟世界连接至数字处理器，由此来制定决策。第一反应可能是“我们制造一种通用AFE”，即适用于任何应用的设计。我们开始时，却面临现实问题。需要支持的传感器、限压器件、限流器件、上升时间减速器以及其它许多器件(表1)，清单很快就变得很长。那么，通用AFE如何才能真正简洁呢？是否可能拥有了太多的功能？从而变得太昂贵呢？我想是的。
让我们首先讨论一下一个成功的多面手：人体，然后将一些人类感知概念与AFE机器相关联。
我们如何感测模拟世界？
图2. 最常见的人类感官有视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。
“万能”或“通用”的真实含义是什么？“一种尺码适合所有情况”。说起来总是很容易，我们也都曾在某处看到过这样的文字，但在现实中极难做到。对于服装而言，“一种尺码适合所有人”的意思是一种尺码适合大多数人。“适合”可能不是最优或最佳，但应该能够工作......或多或少。
相对于其它动物的个体感官优势，人体是一个多面手。我们具有常说的五官感觉来感知模拟世界：视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉(图2)。我们神奇的大脑全部能够分清这些感觉。人类通常能够很好地完成这些任务，但特定的动物在某一方面特别突出。例如，老鹰具有优异的视觉，在高空飞行时能够看到地面的老鼠，俯冲下来时能够保证紧盯老鼠，然后发动攻击。对于听力，谷仓猫头鹰在伸手不见五指的夜晚能够发现、俯冲并捕获地面的老鼠。人类利用警犬的嗅觉来查找人员以及检测毒 品和爆炸物的历史也已经很悠久。鲶鱼的味蕾几乎是人类的两倍，它们利用味蕾在浑浊的水中寻找食物以及探测有毒物1。对于触觉，猫的胡须非常灵敏，可帮助其判断大小和距离，准确度令人难以置信。但海豹的每根胡须中的神经纤维更多，可能是动物王国中最精细的胡须。利用这些胡须，海豹能够在最昏暗的水中跟踪180 米(591英尺)以外游动的鱼。
大猩猩上半身拥有巨大的力量；大象能搬动大树；鸟类能够利用地球磁场和紫外线进行飞行和导航；猎豹奔跑的速度可达到60英里每小时(97公里每小时)；松鼠能够在纤细的树枝上保持平衡。然而，重点是人类一般能够很好地完成许多事情，而动物则凭借特殊的感官将某件事情做的更好。同时不要忘了，即使是我们人类，也要利用不同的器官来实现每种感官。例如，耳朵是不能用来看东西的。在这种情况下，“一种尺码(一种模拟检测)适合所有情况”几乎是不可能的。
数字工程师眼中的模拟问题
在过去几年中，许多学校向工程专业的学生教授数字计算机科学，但仅涉及到非常少的模拟工程。所以，看到某个小公司拥有许多数字和计算机工程师、但却无人拥有模拟工程知识就毫不奇怪了。面对关键项目以及模拟专家的缺乏，有些管理者可能会想：“项目以数字为主。只有很少的比例为模拟部分，并且位于前端。我只需让某个人捎带搞定模拟部分即可。“现在，数字工程师不得不旱鸭子下水，学习新的专业知识。有许多AFE参考设计可供使用，但都倾向于非常具体的应用。实际应用中，通用AFE一般帮助不大。
通用AFE设计的困难
机器与模拟世界的接口是怎样的？通用AFE比针对特定应用的AFE更好吗？不是的。经验告诉我们，由于应用范围非常广并且具有不同的需求，“一种尺码”，即通用AFE设计，不会适合所有情况。实际上，万能、通用的AFE很快会变得繁琐、复杂、成本昂贵，最终仍无法满足需求。相反，特定应用前端在技术上优于这些设计，并且更加经济。最后，设计人员必须真正地了解应用。
我们首先从基础、典型AFE的最简单形式开始讨论(图3)。该设计看似简单，但省去的恰恰是会引发问题和繁琐的东西。
图3. 最简单、典型的通用AFE接口。
我们如何利用图3来优化AFE性能？所有事情，但并不太多。在我们定义需要检测的信号以及真正理解最终应用之后，才能针对具体应用优化该基础设计。模/数转换器(ADC)之前的运算放大器(运放)能够实现许多可能的功能，包括增益、阻抗转换、静电放电(ESD)保护、奈奎斯特滤波，以及预防射频(RF)干扰。3
例如，我们需要预测应用中主要的ESD、电磁干扰(EMI)以及射频干扰(RFI)隐患。图4所示的最简单接口电路为80%的通用电路，以及20%的最优设计。
20170119A0028.jpg878x278 图4. 20%/80%接口电路，适用于输入和输出。
此外，图3所示的简单运放可能需要多路放大器，配置为仪表放大器，处理具有较大共模分量的差分信号，可能需要处理满幅为2mV至100V的电压。运放可能变为8极点低通滤波器，其输入阻抗小于1Ω或高于100kΩ。遗憾的是，我们只有了解了应用，才可能知道需要什么。
现在，我们讨论输入电路保护。图4相当于一个思路清单，列出了在不确定具体应用的情况下可能需要的内容。我们可将ESD、EMI、EMS和RFI器件分为三类：
1.限压装置：气体放电控制器、金属氧化物变阻器、电压抑制器二极管、双向触发二极管以及开关。实际上，度量特定应用的因素有很多，如表1的汇总，每种因素都将影响优化AFE的方法。
2.限流装置：保险丝、断路器以及热熔断路器。
3.上升时间减速器：电阻、电感、线圈、磁珠和电容，这些元件均减缓瞬态的上升时间，从而为其它保护装置预留动作时间。
20170119A0029.jpg961x356 图1 系统的总体框图
对于特定应用AFE，还有更多考虑事项。切记，精明的工程师都非常了解应用。附近有射频(RF)发射机吗？保安的步话机功率是否为1W或更高？如果输入没有预防有害的RF干扰，就可能发生许多看起来随机的系统错误。对于距离为2英寸的传感器和另一个距离为数百英尺的传感器，需要以不同的方式进行保护5。例如，位于相同电路板上的温度传感器不大可能拾取大量RF干扰，而数百英尺的导线则形成了很好的天线。好的做法是在输入安装低通滤波器。有人可能会说，无线电信号远高于奈奎斯特滤波器，所以奈奎斯特滤波器就足够了；因此，由于奈奎斯特滤波器通常要求具有陡峭的截止频率，廉价的有源运放滤波器即可满足。此处的危险在于，RF信号被ESD或其它半导体进行调制和下变频，然后奈奎斯特滤波器才有机会接触到信号。在第一个二极管或晶体管之前的输入上使用简单的RC或LC滤波器，可防止这种现象。6
那么现在我们做什么呢？我们可增加电路和模块，使通用AFE适合于具体应用。首先从几项测量对象开始，避免陷阱。构建系统就像构建一座大型建筑——需要良好、坚固的基础。基础就是纯净的电源和地，如果失去这些，系统就不能满效率工作。经验不足的工程师遭遇的陷阱之一就是电源和地的原理图符号太简单(图5)。
图5. 典型系统原理图中电源和接地的四幅图。未标明电源和地走线的方向，将会在布局和制造期间引起混淆，并且很有可能造成性能不良。
首先，我们知道原理图是电气示意图，并未考虑印刷电路板(PCB)的物理布局。也就是说，PCB布局人员必须具备比图3所示的基本信息更丰富的知识，才能确保电源和地配合工作7。如果使用多幅原理图(上图中的A、B、C、D)，并且标注上网络名称，就不会发生错误。有多种因素会造成原理图看起来困惑不解。所以，我们看到了接地的四个符号，必须明确说明，连接至星型接地点。
首先从A图开始，该图为数字部分的原理图，其中有两个接地符号没有说明；大多数器件使用数字电压。由于电源去耦电容8位于B图中，所以不知道其与逻辑器件的关系。FPGA或微处理器可能具有多个电源连接，我们在图中只标出了其中一个。在B图中，作为电源输入的24V与模拟和数字电源的关系未知。这与D图中电机的24V电源是同一电源吗？C图中有四个地：模拟地、连接器上的未知地、ADC上的模拟地和数字地。应参考ADC的数据资料，确定连接这两个地的正确方法9。在D图中，前级驱动具有模拟电源和一个未知地，而驱动和电机具有24V和一个不同的地。利用规定了电源和地之间相互关系的系统图，能够澄清所有这些电源和地之间的混淆概念。
系统应用中另一个关键变量是电源线质量。长电源线为无线电波的大功率尖峰脉冲提供了混入有用交流电压的机会。第一种预防模式是低通共模交流电源输入滤波器10。接下来的考虑事项是电源尖峰脉冲对开关电源的影响，以及有多少尖峰脉冲被抑制？即使电源尖峰脉冲受到抑制，仍然有两个关键因素需要考虑：有多少得到抑制，以及开关的输出纹波是否随输入变化而变化？输出电感、电容以及其它滤波是否控制输入尖峰脉冲误差？如果开关后边安装低压差线性调节器(LDO)，那么该调节器是否传递尖峰脉冲，或者尖峰脉冲完全被滤去使这些误差没有影响？通用AFE没有解决其中任何问题。
是否存在系统必须遵守的标准或规范？许多现代化行业都具有一定形式的标准和规范，其中包括智能电网布署领域的G3-PLC和化工厂标准化应用领域的艾默生过程管理白皮书11。在设计过程早期，就必须了解适用的规范和标准，由此做出正确的元件选择。在电路推向市场之后，如果试图改变不符合要求的电路，往往会造成工程化和制造方面的麻烦。
参考
1.) Melina, Remy, Life's Little Mysteries Staff Writer, “What Animal Has the Best Sense of Taste?”livescience, January 31, 2011, http://www.livescience.com/32970-what-animal-has-the-best-sense-of-taste.html.See also “Animals with the best sense of taste in the world,” LargestFastestSmartest, Mar 30, 2012, http://largestfastestsmartest.co.uk/animals-with-the-best-sense-of-taste-in-the-world/.
2.) “Animals with the best sense of touch in the world,” LargestFastestSmartest, Mar 30, 2012, http://largestfastestsmartest.co.uk/animals-with-the-best-sense-of-touch-in-the-world/.
3.) 有多种免费的计算器可供使用，可能有助于理解信号链AFE参数和产品数据资料。参考Maxim Integrated的模拟设计计算器(http://www.maximintegrated.com/en/design/tools/calculators/hp50g/)和通用计算器(http://www.maximintegrated.com/en/design/design-tools/calculators.html )。
另请参考Maxim Integrated设计指南：5060，“ADC/DAC Accuracy Calculator Tutorial”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5060； 5061，“Effective Number of Bits Calculator ENOB Tutorial”， http://www.maximintegrated.com/en/design/design-tools/calculators.html； 5059，“Thermal Noise Calculator Tutorial”http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5059；5062，“Bandgap Reference Calculator Tutorial”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5062；5063，“Statistical Process Control Calculator Tutorial”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5063；5874，“Setting Time Calculator Tutorial”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5874；以及5873，“Package Thermal Analysis Tutorial”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5873。
4.) Maxim Integrated设计指南：5065，“Radio Susceptibility—Cure with Antibiotic, Vaccine, or the Laws of Physics”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5065；4991，“Oops…Practical ESD Protection vs, Foolhardy Placebos”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4991；4491，
“Damage from a Lightning Bolt or a Spark—It Depends on How Tall Youe Are!”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4991；5554，“ASIC Fixes for Noisy Analog ‘Oops’”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5554。
5.) Maxim Integrated设计指南：5065，“Radio Susceptibility—Cure with Antibiotic, Vaccine, or the Laws of Physics”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5065；4644，
“利用双绞线及其它常规线缆降低EMI/RFI”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4644，以及4645，“A Power Engineer: the Superhero in a Design?”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4645。
6.) Maxim Integrated应用笔记3660，“利用PCB布局技术实现音频放大器的RF噪声抑制”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/3660。
7.) Maxim Integrated设计指南4294，“Where is Ground?”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4292，以及应用笔记4345，“Well Grounded, Digital Is Analog”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4345。
8.) Maxim Integrated设计指南5527，“Temperature and Voltage Variation of Ceramic Capacitors, or Why Your 4.7μF Capacitor Becomes a 0.33μF Capacitor”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5527。
9.) 侧面说明一下，不是所有模拟电源和地都是相同的。在模拟电路中，某个部分可能比其它部分对噪声更敏感。例如，电压基准和ADC使用独立的模拟电源和地可能更有利。(将数据转换器和电压基准作为一个整体来设定误差预算是好的习惯。)参考Maxim Integrated设计指南4300，“Calculating the Error Budget in Precision Digital-to-Analog Converter (DAC) Applications”，http://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/AN4300.pdf。
10.) Maxim Integrated设计指南5065，“Radio Susceptibility—Cure with Antibiotic, Vaccine, or the Laws of Physics”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5065；以及应用笔记4944，“布线指南：提高汽车电源性能、降低电磁辐射”，http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4944。
11.) 参见“Need for Industry Standard,” by G3-PLC Alliance, at http://www.g3-plc.com/content/need-industry-standard.Also March 2007 white paper, “NAMUR [a standards organization for chemical plants] and Emerson’s DeltaV system's application of NAMUR’s guidelines.”? Emerson Process Management.1996—2007, http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20DeltaV%20Documents/Whitepaper.
12.) Ott, Henry W., Electromagnetic Compatibility Engineering, ? 2009 by John Wiley & Sons, Inc., ISBN 978-0-470-18930-6.Ott’s work is an essential reference for cabling, grounding, filtering, shielding, grounding and Mixed-signal PCB layout, RF immunity and ESD.
See also The ARRL Handbook For Radio Communications, 2013, ?2012, Publisher:The American Radio Relay League, Inc.; ISBN:978-0-87259-419-7, (Updated annually).The ARRL Handbook is a must-have for hobbyists and technical professionals.It starts with the fundamentals of radio electronics.Its practical applications and solutions covers circuit and antenna design, computer-aided design, equipment troubleshooting, and reducing RF interference.
Also the ARRL RFI Book, Practical Cures For Radio Frequency Interference, ?1998-1999, Publisher:The American Radio Relay League, Inc.; ISBN:0-87259-283-4, This reference provides practical methods to help consumer devices and any neighbors manage the volatile situations caused when the electronics do not play together well.
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About the Author:
Bill Laumeister is an engineer in strategic applications with the Mass Market Solutions Group at Maxim Integrated.Bill has more than 30 years of experience designing products and helping customers.He holds several patents.
文/Bill Laumeister 战略应用工程师 Maxim Integrated
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