從電磁流量計設計看如何利用設計便利性資源簡化產(chǎn)品設計

實驗室電路和參考設計克服設計挑戰(zhàn)

針對模擬、混合信號和射頻設計對于工程師來說通常具有較大挑戰(zhàn)的現(xiàn)狀，ADI創(chuàng)造性地從2008年開始推出“實驗室電路概念：根據(jù)不同區(qū)域搜集的資源、客戶的意見、需求反饋，然后集合ADI內(nèi)部專家的技術能力和經(jīng)驗設計出客戶需要的實用電路，并以詳盡的文字和圖片介紹電路設計的思路、設計方法、設計建議以及測試結果，用于協(xié)助設計工程師應對當今的模擬、混合信號及RF設計挑戰(zhàn)，輕松快捷地實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

電磁流量計的前端設計是典型的模擬和混合信號電路設計，通常會遇到以下這些挑戰(zhàn)：電磁流量計產(chǎn)品的最大測量范圍可能寬達1500:1，用于反映流速的范圍是0.01m/s至15m/s；系統(tǒng)電源、中央邏輯單元、通信和I/O之間需要隔離，隔離等級要求從1kV至2.5kV不等；便攜式電磁流量計要求超低功耗微控制器、放大器和ADC器件……設計工程師必須考慮許多不同的系統(tǒng)要求，包括精度、帶寬和電磁激勵頻率等, 才能設計出合理的電磁流量計系統(tǒng)。此外，工業(yè)現(xiàn)場的溫度環(huán)境非常復雜，有時甚至會造成極端惡劣的影響。EMC抗擾度(如ESD、EFT和浪涌等)也是電磁流量計設計的重大挑戰(zhàn)。為了能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，低溫漂系數(shù)和低功耗對電磁流量計至關重要。此外，電磁流量計內(nèi)部的空間有限，系統(tǒng)密度很高，因而必須減小器件尺寸。

在小馬的項目中，他們充分借鑒了ADI的實驗室電路高效率地克服了上述的技術挑戰(zhàn)。ADI提供的眾多實驗室電路中，“適合過程控制應用的完整高速、高共模抑制比(CMRR)精密模擬前端”和“利用單芯片電壓和電流輸出DAC AD5422及數(shù)字隔離器ADuM1401構建16位全隔離輸出模塊”等五個實驗室電路對小馬的電磁流量計設計提供了非常高的參考價值。

在常用電壓下，電磁流量計傳感器的輸出范圍可能小到只有數(shù)十微伏，輸出阻抗往往高于兆歐范圍，前端精密運算放大器或儀表放大器要求超高輸入阻抗、極低漏電流和出色的共模抑制比。實驗室電路“適合過程控制應用的完整高速、高共模抑制比精密模擬前端”很好地幫助解決了模擬前端電路設計的這些挑戰(zhàn)。優(yōu)化的高性能模擬前端不僅能提供電磁流量計要求的高精度還提供了高共模抑制比。高精度、高輸入阻抗和高CMR由儀表放大器AD8226提供，AD8226可以提供小信號和大信號輸入所需的出色CMR性能。

圖2：優(yōu)化的高性能模擬前端實驗室電路能提供電磁流量計要求的高精度和高共模抑制比。

圖3：基于AD5422及ADuM1401構件的適合于電磁流量計的16位工業(yè)控制輸出模塊實驗室電路。

由于小馬的團隊采用了ADI公司的16位DAC AD5422，而在參考“利用單芯片電壓和電流輸出DAC AD5422及數(shù)字隔離器ADuM1401構建16位全隔離輸出模塊”的實驗室電路中，因為該實驗室電路結合數(shù)字隔離器ADuM1401所實現(xiàn)的良好電路設計理念和綜合性能，讓他們在隔離器的選擇上放棄了之前一直采用的光隔離器件，第一次采用了ADI的iCoupler數(shù)字隔離器ADUM1401。在他們的電路中，ADuM1401不僅提供了微控制器與DAC之間所需的全部信號隔離，而且其自帶的隔離電源保證了隔離性能的同時，高集成度對于空間受限的電磁流量計也非常重要。該實驗室電路還含有標準外部保護功能，且經(jīng)過測試和驗證，完全符合IEC 61000標準。

事實上，每個產(chǎn)品的具體電路設計常常有不一樣的變化，在ADI的實驗室電路中通常為可能遇到的不同參數(shù)要求、器件選型和器件搭配等各種變化預見性地提出了更具針對性的建議，大大提高實用性。此外，任何高速電路的性能都高度依賴于適當?shù)腜CB布局，包括電源旁路、受控阻抗線路、元件布局、信號布線以及電源層和接地層，等等。ADI實驗室電路通常提供了有關PCB布局詳情、相關參考教程、以及有關本電路筆記的完整設計支持包（電路原理圖、PCB文件、BOM清單，等等）

ADI即將推出電磁流量計的完整系統(tǒng)級參考設計，如果采用此參考設計方案，他們的設計周期可以進一步壓縮1/3甚至一半（該系列參考解決方案目前已經(jīng)可以向用戶提供包括全套電磁流量計的原理圖、詳細PCB文件等完整的設計文檔、相關的軟件模塊、測試測量資料以及BOM清單等資源）。事實上，ADI針對目前很多熱門應用都提供融合ADI領先模擬、混合、RF以及數(shù)字技術的系統(tǒng)級參考設計解決方案。

小結：

在撰寫本文的時候，獲知ADI新近獲得國內(nèi)某知名媒體頒發(fā)的“杰出FAE支持”大獎。是的，除了全球技術領先的解決方案外，卓越的本地化技術支持一直是ADI強調(diào)的服務，因為ADI長期服務中國本地設計工程師的過程中深刻認識到與歐美國家不同的是，中國工程師相對年輕，他們渴望技術進階以及從廠商那里得到更多的技術支持。

然而，當前中國企業(yè)對半導體方案提供商的設計服務需求已不僅僅停留在提供先進的解決方案以及更緊密有效的現(xiàn)場技術支持，提供設計各階段所需的設計工具套件、驗證模型、評估板以及包括像參考設計、實驗室電路、應用筆記這樣全面的工具和文檔支持已經(jīng)成為更多工程師和廠商的需求。也正是因為這樣，ADI去年升級其廣受歡迎的實驗室電路以及在線樣片申請程序，不斷豐富實驗室電路、應用筆記、完整解決方案等設計資料，為年輕工程師提供全方位的線上線下技術支持。除現(xiàn)場應用工程師外，ADI的亞洲技術支持中心的技術團隊還會通過電話和郵件的形式處理、解答來自于客戶的各種技術問題，并提供設計參考信息。還開設了活躍度極高的ADI中文技術論壇。設計工程師如果能恰當利用這些資源，將能加快其技術能力成長，克服設計過程中常常面臨的各種技術挑戰(zhàn)，進而壓縮產(chǎn)品開發(fā)周期。