2020年起，“新基建”的熱度一直不減，根據(jù)北大光華管理學(xué)院的研究數(shù)據(jù)，在未來五年時(shí)間內(nèi)，新基建和傳統(tǒng)基建數(shù)字化升級(jí)所帶來的直接投資將會(huì)達(dá)到17.5萬億元，由此帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游產(chǎn)業(yè)規(guī)模增加更是高達(dá)28.8萬億元。如果說鋼鐵、水泥是以“鐵公機(jī)”為代表的“老基建”的基石，那么數(shù)據(jù)將是以信息技術(shù)為依托的“新基建”價(jià)值變現(xiàn)的核心要義，其重要性不言而喻。

既然“數(shù)據(jù)”被認(rèn)為是新基建中一項(xiàng)重要的資源，那么如何獲取更多高質(zhì)量的數(shù)據(jù)也就自然而然成為一個(gè)重要課題。如果將數(shù)據(jù)看做是一座亟待挖掘的“寶礦”，那么海量的傳感器就可以算是沖在最前面的、辛勤工作的“礦工”了。不過傳感器所感知和“挖掘”出的現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)（通常是電阻、電流和電壓等），想要變成數(shù)字世界中有用的“數(shù)據(jù)”，中間還有一個(gè)復(fù)雜的處理和轉(zhuǎn)化的過程，這就需要有一個(gè)可靠的信號(hào)鏈的加持。

信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的變革

傳統(tǒng)信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)大多是基于獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、放大器和其他構(gòu)建模塊而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)需要在功效比、測(cè)量精度或PCB占板面積等諸多因素上做折衷，這對(duì)信號(hào)鏈應(yīng)用開發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)和技能也提出了很高的要求。

而且隨著傳感器應(yīng)用數(shù)量的增加、應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，當(dāng)需要對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行感測(cè)時(shí)，每個(gè)傳感器可能需要不同的偏置電壓才能正常運(yùn)行，而且每個(gè)傳感器的靈敏度也可能不同，因此必須調(diào)整放大器的增益以使信號(hào)鏈性能最大化。如果仍然采用傳統(tǒng)的獨(dú)立單信號(hào)鏈架構(gòu)，開發(fā)者就不得不對(duì)每個(gè)測(cè)量通道進(jìn)行配置和優(yōu)化，由此帶來的設(shè)計(jì)復(fù)雜度的增加可想而知。

解決上述信號(hào)鏈路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)一個(gè)最直接的辦法就是“集成”。具體來講，就是在一個(gè)模擬前端（AFE）器件中整合更多的信號(hào)通道、功能模塊，形成一個(gè)更高效、更強(qiáng)大的解決方案，通過集成TIA（互阻放大器）增益電阻或?qū)?a href="http://www.xsypw.cn/tags/數(shù)模轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用作傳感器偏置電壓源等措施來簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)通道的復(fù)用。

這樣的架構(gòu)帶來的好處顯而易見：

1

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

由于信號(hào)鏈集成，測(cè)量通道復(fù)用降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且各個(gè)測(cè)量通道可以通過軟件來進(jìn)行配置，也增加了設(shè)計(jì)的靈活性。

2

降低功耗

集成的信號(hào)鏈對(duì)功率要求也會(huì)明顯降低，這一特性對(duì)于電池供電設(shè)備尤為重要。

3

降低噪聲

這樣的設(shè)計(jì)也有利于降低信號(hào)鏈的噪聲水平，使得利用性能更好的信號(hào)處理器件（如TIA或ADC）成為可能，進(jìn)而提高測(cè)量精度。

4

減小占板面積

由信號(hào)鏈集成度的提高，也會(huì)帶來系統(tǒng)PCB占板面積的減小。

除了上述這些因素，在高集成度的AFE器件設(shè)計(jì)時(shí)，還有一個(gè)很關(guān)鍵的問題需要考慮，那就是傳感器自身性能的監(jiān)測(cè)。要知道，很多傳感器在使用過程中都會(huì)面臨著性能“老化”的問題，也就是隨著使用時(shí)間的增加，傳感器的性能會(huì)發(fā)生飄移，對(duì)于那些在高溫、高濕，或者復(fù)雜水、氣環(huán)境中的傳感器，其性能的劣化還會(huì)加速。為了讓傳感器獲取的信號(hào)不失真，就需要對(duì)傳感器自身健康狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量和分析。基于這樣的信息，才可以對(duì)環(huán)境因素造成的傳感器靈敏度的損失通過智能算法作出補(bǔ)償，或是對(duì)性能劣化嚴(yán)重的傳感器及時(shí)更換。

如果為這樣的傳感器探查功能搭建一個(gè)專門的系統(tǒng)，顯然既費(fèi)力又費(fèi)錢，無法適應(yīng)在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模部署的傳感器的要求，因此將傳感器診斷特性直接集成為信號(hào)鏈的一部分，也就成了一個(gè)剛需。

從以上這些應(yīng)用開發(fā)痛點(diǎn)的分析中我們不難看出，為滿足信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的要求而開發(fā)一個(gè)高集成、高性能的AFE器件已經(jīng)是大勢(shì)所趨了，而如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就需要芯片廠商從應(yīng)用的實(shí)際出發(fā)，對(duì)產(chǎn)品線進(jìn)行合理的規(guī)劃，不斷迭代優(yōu)化了。

在這方面，Analog Devices（ADI）做得就非常出色，如果我們仔細(xì)去觀察ADI近年來推出的AFE新品，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每款產(chǎn)品都能夠精準(zhǔn)地直擊上述的應(yīng)用開發(fā)“痛點(diǎn)”。下面我們就來通過幾個(gè)實(shí)例做一個(gè)更細(xì)致的分析。

AD5940/AD5941高精度模擬前端

AD594x是ADI開發(fā)的一款高精度、多功能的模擬前端，專為醫(yī)療和工業(yè)類應(yīng)用量身定制，在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的皮膚電活動(dòng)（EDA）或皮膚電反應(yīng)（GSR）、身體阻抗分析、水分測(cè)量和生化測(cè)量，以及工業(yè)應(yīng)用中的有毒氣體分析、PH值測(cè)量、電導(dǎo)率或水質(zhì)測(cè)量方面都十分適用。

AD594x包括兩個(gè)高精度激勵(lì)環(huán)路和一個(gè)通用測(cè)量通道，能夠在完成測(cè)試工作的同時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行各種探查。

第一個(gè)激勵(lì)環(huán)路是一個(gè)低功耗激勵(lì)環(huán)路，能夠生成DC至200Hz的信號(hào)，包括一個(gè)超低功耗、雙通道輸出串、DAC和一個(gè)低功耗、低噪聲恒電勢(shì)器。該DAC的一個(gè)輸出可控制恒電勢(shì)器的同相輸入，另一個(gè)輸出控制TIA的同相輸入。

第二個(gè)激勵(lì)環(huán)路包括一個(gè)12位DAC，稱為高速DAC，該DAC能夠生成最高200 kHz的高頻激勵(lì)信號(hào)。

借助通用的內(nèi)部測(cè)量通道，可對(duì)內(nèi)部電源電壓、裸片溫度和基準(zhǔn)電壓源等進(jìn)行診斷測(cè)量。

一個(gè)多路復(fù)用器作為通道選擇器，可以從上述測(cè)量通道中選擇所需的信號(hào)通道輸出到后級(jí)電路，通過緩沖器、可編程增益放大器（PGA）和抗混疊濾波器連接到一個(gè)16位、800 kSPS逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

AD594x測(cè)量模塊可通過直接寄存器寫入串行外設(shè)接口（SPI）或通過使用預(yù)編程的時(shí)序控制器（可自主控制AFE芯片）進(jìn)行控制。6kB的靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（SRAM）劃分為深度數(shù)據(jù)先進(jìn)先出（FIFO）和命令FIFO。測(cè)量命令存儲(chǔ)在命令FIFO中且測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)FIFO中。器件提供8個(gè)通用輸入/輸出（GPIO），可使用AFE時(shí)序控制器進(jìn)行控制，從而可對(duì)多個(gè)外部傳感器套件進(jìn)行周期精確控制。

可以看出，AD594x集成了多路測(cè)量通道，也考慮到了傳感器內(nèi)部診斷的需要，多測(cè)量通道復(fù)用一個(gè)信號(hào)鏈路，且為外部的控制器提供了必要的資源和接口，如此“全能”的器件自然會(huì)在電化學(xué)測(cè)量和生化測(cè)量中備受青睞。

ADuCM355精密模擬微控制器

你可能會(huì)認(rèn)為，在提升信號(hào)鏈集成度上，AD594x已經(jīng)做得相當(dāng)?shù)轿涣耍欠襁€可以在此基礎(chǔ)上更上層樓呢？ADI的回答是肯定的，作為這一肯定回答的例證，就是其最新推出的具有化學(xué)傳感器接口的ADuCM355精密模擬微控制器。

其實(shí)從名稱中就可以看出，這款器件已經(jīng)不再是一顆單純的AFE了——除了包含有兩個(gè)測(cè)量通道，一個(gè)用于傳感器診斷的阻抗測(cè)量引擎，ADuCM355還集成了一個(gè)用于運(yùn)行用戶應(yīng)用程序和傳感器診斷補(bǔ)償算法的基于Arm Cortex-M3的超低功耗混合信號(hào)微控制器，可以控制和測(cè)量電化學(xué)傳感器和生物傳感器。

ADuCM355除了具有帶輸入緩沖器的16位400 kSPS多通道SAR ADC以外，還具有集成式抗混疊濾波器（AAF）和PGA。電流輸入中的TIA具有可編程增益和負(fù)載電阻，以支持不同的傳感器類型。器件的AFE功能中還包含專門針對(duì)恒電勢(shì)器設(shè)計(jì)的放大器，以相對(duì)于外部電化學(xué)傳感器保持恒定的偏置電壓。通過ADC上游的輸入多路復(fù)用模塊，可以選擇相應(yīng)的輸入通道。而這些輸入通道包括：三個(gè)外部電流輸入、多個(gè)外部電壓輸入和內(nèi)部通道。三個(gè)電壓DAC中有兩個(gè)是雙輸出DAC（DAC的第一個(gè)輸出可控制恒電勢(shì)器放大器的同相輸入，另一個(gè)控制TIA的同相輸入）；第三個(gè)高速DAC針對(duì)用于阻抗測(cè)量的高性能TIA而設(shè)計(jì)，輸出頻率范圍高達(dá)200 kHz。可見，ADuCM355基本上具有了和AD594x相同的模擬前端功能。

與此同時(shí)，該器件中的ARM Cortex-M3處理器可用于運(yùn)行補(bǔ)償算法、存儲(chǔ)校準(zhǔn)參數(shù)以及運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。它具有靈活的多通道直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）控制器，支持兩個(gè)獨(dú)立的串行外設(shè)接口（SPI）端口、通用異步接收器/發(fā)射器（UART）和I2C通信外設(shè)。開發(fā)者可以根據(jù)需要為特定應(yīng)用配置一系列通信外設(shè)，如UART、 I2C、兩個(gè)SPI端口和通用輸入/輸出（GPIO）端口。這些GPIO還可以與通用定時(shí)器相結(jié)合，生成脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出。

也就是說，在一顆ADuCM355上，開發(fā)者就可以實(shí)現(xiàn)AFE+MCU的功能，系統(tǒng)的架構(gòu)被進(jìn)一步簡(jiǎn)化；而ADuCM355提供的通用性和靈活性，同樣使其在工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景，為用戶提供一個(gè)更“簡(jiǎn)單”的解決方案。

ADPD4100和ADPD4101多模式傳感器前端

除了以上的高集成AFE的設(shè)計(jì)思路，ADI也根據(jù)特定應(yīng)用的需要，開發(fā)出了其他一些很有特色的產(chǎn)品。比如隨著醫(yī)療健康領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，對(duì)于在單一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種生命體征和健康指標(biāo)測(cè)量的需求越來越強(qiáng)烈，與此同時(shí)還需要滿足測(cè)量高精度和產(chǎn)品小型化的要求。這就讓針對(duì)此類應(yīng)用量身定制一款A(yù)FE器件顯得十分必要。

這種單一AFE解決方案需要能夠用作多參數(shù)生命體征監(jiān)測(cè)中心，支持同步測(cè)量，還需要具有低噪聲、高信噪比（SNR）、小尺寸和低功耗等特性，以便應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備，甚至是可穿戴設(shè)備中。

ADPD4100/ADPD4101就是能夠滿足上述這些需求的一款多模式傳感器AFE，它具有8個(gè)模擬輸入，支持多達(dá)12個(gè)可編程時(shí)隙——這12個(gè)時(shí)隙支持在一個(gè)采樣周期內(nèi)進(jìn)行12個(gè)獨(dú)立測(cè)量。8個(gè)模擬輸入可復(fù)用成一個(gè)通道或兩個(gè)獨(dú)立通道，能夠以單端或差分配置同時(shí)對(duì)兩個(gè)傳感器進(jìn)行采樣。ADPD4100/ADPD4101的集成AFE信號(hào)路徑中包括TIA、帶通濾波器（BPF）、積分器（INT）和ADC級(jí)。數(shù)字模塊可以提供多種工作模式、可編程時(shí)序、GPIO控制、模塊平均以及可選的二階至四階級(jí)聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器。數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)寄存器中讀取，或通過FIFO方法讀取。

ADPD4100/ADPD4101還有一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，就是適用于光學(xué)測(cè)量相關(guān)的應(yīng)用。它可以激勵(lì)多達(dá)八個(gè)LED并在多達(dá)八個(gè)單獨(dú)的電流輸入上測(cè)量返回信號(hào)。得益于在結(jié)合BPF的同步調(diào)制方案中使用短至1μs的脈沖，ADPD4100/ADPD4101具有出色的自動(dòng)環(huán)境光抑制能力，而無需外部控制環(huán)路、直流電流減除或數(shù)字算法。這使得該器件可以作為可穿戴健康和健身設(shè)備中各種電氣和光學(xué)傳感器的理想中樞，適用于心率和心率變異性（HRV）監(jiān)測(cè)、血壓估計(jì)、壓力和睡眠跟蹤，以及SpO2測(cè)量。

圖7中就顯示了一個(gè)基于ADPD4100/ADPD4101同步進(jìn)行ECG心電圖、呼吸相關(guān)阻抗波和PPG光電容積脈搏波描記（利用綠光LED測(cè)量）的參考設(shè)計(jì)，這在重癥監(jiān)護(hù)中是必要而關(guān)鍵的功能。

總之，在新基建的大背景下，數(shù)據(jù)的挖掘和利用成為了重中之重，這也給專門處理來自傳感器的模擬信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化及分析處理的AFE器件帶來了商機(jī)。不過想要把握住這個(gè)機(jī)遇，就需要對(duì)傳統(tǒng)的AFE進(jìn)行一番“魔改”，令其適應(yīng)傳感器高精度、大規(guī)模部署、小型化等方面的應(yīng)用要求。當(dāng)然，這樣的“魔改”也不能任性，想要成功，必須遵循正確的技術(shù)邏輯和準(zhǔn)確的市場(chǎng)洞察。

原文標(biāo)題：新基建熱潮下，模擬前端（AFE）“魔改”之路

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