2020年起,“新基建”的热度一直不减,根据北大光华管理学院的研究数据,在未来五年时间内,新基建和传统基建数字化升级所带来的直接投资将会达到17.5万亿元,由此带动产业链上下游产业规模增加更是高达28.8万亿元。如果说钢铁、水泥是以“铁公机”为代表的“老基建”的基石,那么数据将是以信息技术为依托的“新基建”价值变现的核心要义,其重要性不言而喻。

既然“数据”被认为是新基建中一项重要的资源,那么如何获取更多高质量的数据也就自然而然成为一个重要课题。如果将数据看做是一座亟待挖掘的“宝矿”,那么海量的传感器就可以算是冲在最前面的、辛勤工作的“矿工”了。不过传感器所感知和“挖掘”出的现实世界的模拟信号(通常是电阻、电流和电压等),想要变成数字世界中有用的“数据”,中间还有一个复杂的处理和转化的过程,这就需要有一个可靠的信号链的加持。

 

信号链设计的变革

传统信号链的设计大多是基于独立的模数转换器(ADC)、放大器和其他构建模块而设计的(如图1),系统比较复杂,而且在设计实现时需要在功效比、测量精度或PCB占板面积等诸多因素上做折衷,这对信号链应用开发者的经验和技能也提出了很高的要求。

 

图1:典型单通道电化学气体传感器信号链

(图源:ADI)

 

而且随着传感器应用数量的增加、应用场景的扩展,当需要对多个目标进行感测时,每个传感器可能需要不同的偏置电压才能正常运行,而且每个传感器的灵敏度也可能不同,因此必须调整放大器的增益以使信号链性能最大化。如果仍然采用传统的独立单信号链架构,开发者就不得不对每个测量通道进行配置和优化,由此带来的设计复杂度的增加可想而知。

 

解决上述信号链路设计挑战一个最直接的办法就是“集成”。具体来讲,就是在一个模拟前端(AFE)器件中整合更多的信号通道、功能模块,形成一个更高效、更强大的解决方案,如图2所示,通过集成TIA(互阻放大器)增益电阻或将数模转换器(DAC)用作传感器偏置电压源等措施来简化系统设计,同时实现多路信号通道的复用。

 

图2:集成的双通道集成气体检测信号链简图

图源:ADI)

 

这样的架构带来的好处显而易见:

 

1

简化设计

由于信号链集成,测量通道复用降低了设计的复杂性,而且各个测量通道可以通过软件来进行配置,也增加了设计的灵活性。

2

降低功耗

集成的信号链对功率要求也会明显降低,这一特性对于电池供电设备尤为重要。

3

降低噪声

这样的设计也有利于降低信号链的噪声水平,使得利用性能更好的信号处理器件(如TIA或ADC)成为可能,进而提高测量精度。

4

减小占板面积

由信号链集成度的提高,也会带来系统PCB占板面积的减小。

 

 

除了上述这些因素,在高集成度的AFE器件设计时,还有一个很关键的问题需要考虑,那就是传感器自身性能的监测。要知道,很多传感器在使用过程中都会面临着性能“老化”的问题,也就是随着使用时间的增加,传感器的性能会发生飘移,对于那些在高温、高湿,或者复杂水、气环境中的传感器,其性能的劣化还会加速。为了让传感器获取的信号不失真,就需要对传感器自身健康状态进行测量和分析。基于这样的信息,才可以对环境因素造成的传感器灵敏度的损失通过智能算法作出补偿,或是对性能劣化严重的传感器及时更换。

 

如果为这样的传感器探查功能搭建一个专门的系统,显然既费力又费钱,无法适应在测试现场大规模部署的传感器的要求,因此将传感器诊断特性直接集成为信号链的一部分,也就成了一个刚需。

 

从以上这些应用开发痛点的分析中我们不难看出,为满足信号链设计的要求而开发一个高集成、高性能的AFE器件已经是大势所趋了,而如何实现这个目标,就需要芯片厂商从应用的实际出发,对产品线进行合理的规划,不断迭代优化了。

 

在这方面,Analog Devices(ADI)做得就非常出色,如果我们仔细去观察ADI近年来推出的AFE新品,就会发现,每款产品都能够精准地直击上述的应用开发“痛点”。下面我们就来通过几个实例做一个更细致的分析。

 

AD5940/AD5941高精度模拟前端

AD594x是ADI开发的一款高精度、多功能的模拟前端,专为医疗和工业类应用量身定制,在医疗监护中的皮肤电活动(EDA)或皮肤电反应(GSR)、身体阻抗分析、水分测量和生化测量,以及工业应用中的有毒气体分析、PH值测量、电导率或水质测量方面都十分适用。

 

图3:AD594x高精度模拟前端框图

图源:ADI)

AD594x包括两个高精度激励环路和一个通用测量通道,能够在完成测试工作的同时对传感器进行各种探查。

第一个激励环路是一个低功耗激励环路,能够生成DC至200Hz的信号,包括一个超低功耗、双通道输出串、DAC和一个低功耗、低噪声恒电势器。该DAC的一个输出可控制恒电势器的同相输入,另一个输出控制TIA的同相输入。

第二个激励环路包括一个12位DAC,称为高速DAC,该DAC能够生成最高200 kHz的高频激励信号。

借助通用的内部测量通道,可对内部电源电压、裸片温度和基准电压源等进行诊断测量。

一个多路复用器作为通道选择器,可以从上述测量通道中选择所需的信号通道输出到后级电路,通过缓冲器、可编程增益放大器(PGA)和抗混叠滤波器连接到一个16位、800 kSPS逐次逼近寄存器(SAR)ADC。

AD594x测量模块可通过直接寄存器写入串行外设接口(SPI)或通过使用预编程的时序控制器(可自主控制AFE芯片)进行控制。6kB的静态随机访问存储器(SRAM)划分为深度数据先进先出(FIFO)和命令FIFO。测量命令存储在命令FIFO中且测量结果存储在数据FIFO中。器件提供8个通用输入/输出(GPIO),可使用AFE时序控制器进行控制,从而可对多个外部传感器套件进行周期精确控制。

可以看出,AD594x集成了多路测量通道,也考虑到了传感器内部诊断的需要,多测量通道复用一个信号链路,且为外部的控制器提供了必要的资源和接口,如此“全能”的器件自然会在电化学测量和生化测量中备受青睐。

 

ADuCM355精密模拟微控制器

你可能会认为,在提升信号链集成度上,AD594x已经做得相当到位了,但是否还可以在此基础上更上层楼呢?ADI的回答是肯定的,作为这一肯定回答的例证,就是其最新推出的具有化学传感器接口的ADuCM355精密模拟微控制器。

其实从名称中就可以看出,这款器件已经不再是一颗单纯的AFE了——除了包含有两个测量通道,一个用于传感器诊断的阻抗测量引擎,ADuCM355还集成了一个用于运行用户应用程序和传感器诊断补偿算法的基于Arm Cortex-M3的超低功耗混合信号微控制器,可以控制和测量电化学传感器生物传感器

 

图4:ADuCM355的简化功能框图

图源:ADI)

ADuCM355除了具有带输入缓冲器的16位400 kSPS多通道SAR ADC以外,还具有集成式抗混叠滤波器(AAF)和PGA。电流输入中的TIA具有可编程增益和负载电阻,以支持不同的传感器类型。器件的AFE功能中还包含专门针对恒电势器设计的放大器,以相对于外部电化学传感器保持恒定的偏置电压。通过ADC上游的输入多路复用模块,可以选择相应的输入通道。而这些输入通道包括:三个外部电流输入、多个外部电压输入和内部通道。三个电压DAC中有两个是双输出DAC(DAC的第一个输出可控制恒电势器放大器的同相输入,另一个控制TIA的同相输入);第三个高速DAC针对用于阻抗测量的高性能TIA而设计,输出频率范围高达200 kHz。可见,ADuCM355基本上具有了和AD594x相同的模拟前端功能。

与此同时,该器件中的ARM Cortex-M3处理器可用于运行补偿算法、存储校准参数以及运行用户应用程序。它具有灵活的多通道直接存储器访问(DMA)控制器,支持两个独立的串行外设接口(SPI)端口、通用异步接收器/发射器(UART)和I2C通信外设。开发者可以根据需要为特定应用配置一系列通信外设,如UART、 I2C、两个SPI端口和通用输入/输出(GPIO)端口。这些GPIO还可以与通用定时器相结合,生成脉冲宽度调制(PWM)输出。

也就是说,在一颗ADuCM355上,开发者就可以实现AFE+MCU的功能,系统的架构被进一步简化;而ADuCM355提供的通用性和灵活性,同样使其在工业应用和医疗设备领域有相当广泛的应用前景,为用户提供一个更“简单”的解决方案。

 

图5:使用ADuCM355测量pH值、温度和电导率的应用框图图源:ADI)

 

ADPD4100和ADPD4101多模式传感器前端

除了以上的高集成AFE的设计思路,ADI也根据特定应用的需要,开发出了其他一些很有特色的产品。比如随着医疗健康领域的数字化转型,对于在单一设备上实现多种生命体征和健康指标测量的需求越来越强烈,与此同时还需要满足测量高精度和产品小型化的要求。这就让针对此类应用量身定制一款AFE器件显得十分必要。

这种单一AFE解决方案需要能够用作多参数生命体征监测中心,支持同步测量,还需要具有低噪声、高信噪比(SNR)、小尺寸和低功耗等特性,以便应用在医疗设备,甚至是可穿戴设备中。

ADPD4100/ADPD4101就是能够满足上述这些需求的一款多模式传感器AFE,它具有8个模拟输入,支持多达12个可编程时隙——这12个时隙支持在一个采样周期内进行12个独立测量。8个模拟输入可复用成一个通道或两个独立通道,能够以单端或差分配置同时对两个传感器进行采样。ADPD4100/ADPD4101的集成AFE信号路径中包括TIA、带通滤波器(BPF)、积分器(INT)和ADC级。数字模块可以提供多种工作模式、可编程时序、GPIO控制、模块平均以及可选的二阶至四阶级联积分梳状(CIC)滤波器。数据直接从数据寄存器中读取,或通过FIFO方法读取。

 

图6:ADPD4100/ADPD4101多模式传感器前端框图(图源:ADI)

ADPD4100/ADPD4101还有一个显著的优势,就是适用于光学测量相关的应用。它可以激励多达八个LED并在多达八个单独的电流输入上测量返回信号。得益于在结合BPF的同步调制方案中使用短至1μs的脉冲,ADPD4100/ADPD4101具有出色的自动环境光抑制能力,而无需外部控制环路、直流电流减除或数字算法。这使得该器件可以作为可穿戴健康和健身设备中各种电气和光学传感器的理想中枢,适用于心率和心率变异性(HRV)监测、血压估计、压力和睡眠跟踪,以及SpO2测量。

图7中就显示了一个基于ADPD4100/ADPD4101同步进行ECG心电图、呼吸相关阻抗波和PPG光电容积脉搏波描记(利用绿光LED测量)的参考设计,这在重症监护中是必要而关键的功能。

 

图7:(a)采用开尔文检测方法进行睡眠浮空ECG和呼吸测量的外部电路;(b)ECG、呼吸和PPG同步测量示例(图源:ADI)

 

总之,在新基建的大背景下,数据的挖掘和利用成为了重中之重,这也给专门处理来自传感器的模拟信号并对其进行数字化及分析处理的AFE器件带来了商机。不过想要把握住这个机遇,就需要对传统的AFE进行一番“魔改”,令其适应传感器高精度、大规模部署、小型化等方面的应用要求。当然,这样的“魔改”也不能任性,想要成功,必须遵循正确的技术逻辑和准确的市场洞察。

本文介绍的ADI系列高集成的AFE产品和方案显然是成功的案例。想要进一步体验“魔改”后的AFE能够为信号链设计开发带来的好处,就来访问贸泽电子相关的产品专题吧!