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模擬前端(AFE)原理及選型指南

作者: 時(shí)間:2013-08-03 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
(0,0,102); LINE-HEIGHT: 16px; PADDING-TOP: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255)" sizset="false" sizcache04337166716412984="2.0.10">  Maxim公司的1402多路轉(zhuǎn)換的信號(hào)較少,但分辨率較高,用Δ-Σ調(diào)制器和數(shù)字分樣濾波器可以達(dá)到16位精度(圖2)。數(shù)字濾波器的用戶可選擇取樣因數(shù),允許降低轉(zhuǎn)換分辨率以換來(lái)較高的輸出數(shù)據(jù)率。在輸出數(shù)據(jù)率480sps可實(shí)現(xiàn)真正的16位性能。可設(shè)置MAX1402的輸入多路轉(zhuǎn)換器,用來(lái)管理3個(gè)全差分信號(hào)或6個(gè)偽差分信號(hào)。多路轉(zhuǎn)換器的后面是兩個(gè)斬波放大器、一個(gè)可編程增益放大器(PGA,增益1~128)、一個(gè)用于消除系統(tǒng)漂移的粗DAC和一個(gè)2階Δ-Σ轉(zhuǎn)換器。1位數(shù)據(jù)流被可配置為SINC1或SINC3的集成數(shù)字濾波器濾波。轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過(guò)一個(gè)SPI/QSPI兼容的3線串行接口得到。

模擬前端(AFE)原理及選型指南


  Silicon Labs的C8051 F350采用“多數(shù)字,少模擬”設(shè)計(jì),這是公司最新推出的帶片上ADC的8051兼容MCU。它集成有8通道24位100ksamples/s轉(zhuǎn)換器、50MHzCPU。外設(shè)包括雙8位DAC和溫度傳感器以及串行通信外設(shè)(UART,SPI,SMBus串行口)。


  同樣,Microchip 公司的PIC16F684、PIC16F688和PIC12F683 PIC基MCU 包含10位連續(xù)漸近ADC和8輸入多路轉(zhuǎn)換器。


  更為復(fù)雜的是Cypress公司的pSoC家族,具有一組復(fù)雜的數(shù)字和模擬單元,完全可以電路內(nèi)重新編程。一個(gè)pSoC IC模擬單元可包含多達(dá)4個(gè)ADC(6~14位分辨率,可選擇流水線、Δ-Σ和連續(xù)漸近架構(gòu));2、4和6極帶通、低通和陷波濾波器;6~9位DAC;PGA。pSoC設(shè)計(jì)工具包括2個(gè)預(yù)配置Δ-Σ轉(zhuǎn)換器模型。一個(gè)具有8位分辨率,64X過(guò)取樣并適合32ksamples/s。另一個(gè)具有11位分辨率,256X過(guò)取樣,適合7.8ksamples/s。


  在AFE中采用內(nèi)插設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單,因此,將該功能內(nèi)插到AFE中較為可取,并簡(jiǎn)化了數(shù)字主機(jī)芯片對(duì)其進(jìn)行的輸送。這也意味著芯片間的接口可以更低的速率工作,清除了可能的電磁干擾源。


  ADI公司的AD9862是一款雙12/14位、128Msamples/s ADC,帶有取樣濾波器和數(shù)字Hilbert濾波器。當(dāng)濾波器使能時(shí),它執(zhí)行一次Hilbert轉(zhuǎn)換,將單通道輸入數(shù)據(jù)分解為I和Q分量,用做圖像抑制結(jié)構(gòu)部分。然后,用片上數(shù)字復(fù)雜調(diào)制器對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。某些AFE也可能包括直接數(shù)字合成和數(shù)字混頻器,所以在接收通道,D-S轉(zhuǎn)換內(nèi)含數(shù)字濾波。D-S轉(zhuǎn)換在窄帶無(wú)線應(yīng)用中特別有用,因?yàn)樗哂懈哌x擇性和非常高的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍。


  根據(jù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員可能會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn),D-S轉(zhuǎn)換采用的頻率達(dá)到幾兆赫茲。開(kāi)始,D-S應(yīng)用目標(biāo)是高分辨率、慢速響應(yīng)應(yīng)用(如稱(chēng)重);后來(lái)應(yīng)用到音頻領(lǐng)域。工藝的進(jìn)步使得D-S結(jié)構(gòu)將取樣速度增加到20Msamples/s,使有效帶寬增加到2.5MHz,同時(shí)提供16位有效分辨率。


  另一方面,盡管D-S轉(zhuǎn)換在窄帶無(wú)線應(yīng)用(通過(guò)分立PF信道的語(yǔ)音通信)中頗具吸引力,但是,其架構(gòu)不適于寬帶應(yīng)用。相反,連續(xù)漸近轉(zhuǎn)換器通常用于工業(yè)控制和測(cè)量中的高速帶寬應(yīng)用?,F(xiàn)在,16位300Msamples/s連續(xù)漸近轉(zhuǎn)換器較為普遍。


  流水線轉(zhuǎn)換器成本較低,可用于只需8位或12位分辨率和10Msamples/s轉(zhuǎn)換率的應(yīng)用。流水線架構(gòu)導(dǎo)致等待時(shí)間,但具有較高的芯片處理效率。一個(gè)12位流水線轉(zhuǎn)換器需要4095個(gè)比較器和一個(gè)大芯片,導(dǎo)致芯片功耗很高。


  相比較而言,通過(guò)分級(jí)轉(zhuǎn)換,流水線轉(zhuǎn)換器所需要的比較器數(shù)量大大減少,但要以犧牲6個(gè)或7個(gè)等待時(shí)間周期為代價(jià)。等待時(shí)間只是反饋控制系統(tǒng)中的一個(gè)潛在問(wèn)題。在通信系統(tǒng)中這不是問(wèn)題,因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的等待時(shí)間對(duì)于整個(gè)信號(hào)鏈絡(luò)的延遲來(lái)說(shuō)是微不足道的。


  在此之前,人們?cè)懻撨^(guò)插入式濾波器放在DAC之前的原因。盡管Maxim公司的MAX1402在D-S轉(zhuǎn)換器之后包含一個(gè)分樣濾波器,但不會(huì)在流水線ADC的輸出有一個(gè)分樣濾波器。從經(jīng)濟(jì)角度看,在采用價(jià)廉ADC時(shí)可以在模擬域加入一個(gè)表面聲波濾波器和另外濾波器。


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