經(jīng)典的模擬信號鏈包括輸入、處理和輸出。輸入由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或比較器接收。帶有控制軟件的微控制器 (MCU) 負(fù)責(zé)處理。最后，模擬輸出由數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 或脈寬調(diào)制 (PWM) 產(chǎn)生。

在本文中，我將介紹一種新型設(shè)備——智能模擬前端 (AFE)——它將整個(gè)模擬控制環(huán)路集成到單個(gè)設(shè)備中，提供 I2C、SPI 或直接 GPIO 接口等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來配置和控制AFE。

智能 AFE 無需額外的開發(fā)、維護(hù)和認(rèn)證負(fù)擔(dān)即可實(shí)現(xiàn)傳感、處理和控制。智能 AFE 可通過提供斷電期間的高阻抗輸出、將通道配置為 ADC 輸入或 DAC 輸出的能力以及支持查找表參考和閉環(huán)的可編程邏輯等特性來幫助簡化設(shè)計(jì)控制。

圖 1 顯示了 TI 的 AFE539A4 智能 AFE 的框圖，其中包括多個(gè)接口（I 2 C、串行外設(shè)接口和通用輸入/輸出 [GPIO]）；非易失性存儲器（NVM）；ADC 和比較器輸入的控制邏輯，以及電壓和電流輸出 DAC 和 PWM 輸出。AFE539A4 是一款 10 位四通道智能模擬前端 (AFE)。每個(gè)模擬通道可配置為數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或比較器。DAC 輸出可以是電壓和電流輸出。AFE539A4 支持高阻態(tài)斷電模式，并在斷電情況下支持高阻態(tài)輸出。DAC 輸出提供一個(gè)強(qiáng)制檢測選項(xiàng)，可用作可編程比較器和電流阱。該器件具有一個(gè)集成的狀態(tài)機(jī)，預(yù)編程為比例積分 (PI) 控制器。AFE539A4 非常適用于熱電制冷 (TEC) 控制、溫度控制和動態(tài)余量控制應(yīng)用。AFE539A4 是智能 AFE 器件，因?yàn)樗哂懈呒壖晒δ堋６喙δ?GPIO、函數(shù)生成和 NVM 使這款智能 AFE 適用于無處理器的 應(yīng)用和設(shè)計(jì)重復(fù)使用。

AFE 將所有這些功能都包含在一個(gè) 3 毫米乘 3 毫米的封裝中。

圖 1：AFE539A4 的功能框圖

閉環(huán)控制

作為閉環(huán)控制的單芯片選項(xiàng)，智能 AFE 在熱電冷卻 (TEC)、多斜率熱折返和電磁閥控制等應(yīng)用中表現(xiàn)良好。通過添加可互換的 DAC/ADC 通道并包含 NVM，智能 AFE 可以為各種系統(tǒng)提供傳感輸入、解釋和受控模擬輸出。TEC 控制回路，如圖 2 所示，用于激光二極管冷卻、便攜式制冷和電子元件冷卻。比例積分 (PI) 控制回路有助于保持 TEC 元件的穩(wěn)定溫度，通過 H 橋驅(qū)動器的 PWM 或升壓轉(zhuǎn)換器的連續(xù)輸出將其從 6 V 驅(qū)動至 12 V。智能 AFE 可以驅(qū)動數(shù)字引腳的 PWM 輸出或 DAC 的電壓輸出。電壓輸出還可以縮放升壓轉(zhuǎn)換器的輸出。另外，電流檢測放大器監(jiān)控 TEC 電流。智能 AFE 集成了所有這些功能，同時(shí)通過選擇合適的驅(qū)動程序保持構(gòu)建塊方法與任何 TEC 元件接口。PI 控制提供配置設(shè)定點(diǎn)、比例和積分增益以及電流限制的選項(xiàng)。

圖 2：用作閉環(huán) TEC 控制器的智能 AFE

電磁閥控制類似于 TEC 控制。然而，除了 PI 控制之外，電磁閥控制還需要峰值保持控制，如圖 4 所示。保持模式涉及 PI 控制方案。智能 AFE 的 PWM 輸出是電磁閥驅(qū)動器的輸入，用于提高效率和診斷。有關(guān)詳細(xì)信息，請參見下面的圖 3。智能 AFE 采用 GPIO 輸入來啟動和停止峰值保持控制。

圖 3：使用智能 AFE 進(jìn)行電磁閥控制

圖 4：峰值保持控制

故障管理

智能 AFE 支持基于查找表的傳感和控制功能，用于多斜率熱折返、溫度相關(guān)偏置和故障管理。例如，多坡熱折返用于汽車尾燈，以提供性能和熱保護(hù)。多段可編程的基于斜率的輸出控制方案可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供一致的光通量輸出，從而在溫度接近安全工作限制時(shí)降低 LED 電流，如圖 5 和圖 6 所示。

圖 5：智能 AFE 多斜率熱折返電路

圖 6： 多斜率熱折返曲線 LED 溫度與 LED 電流的關(guān)系

任意波形生成

任意波形生成是智能 AFE 可以為測試、汽車和通信應(yīng)用中的某些設(shè)計(jì)帶來的另一個(gè)好處?？梢詫χ悄?AFE 進(jìn)行編程以產(chǎn)生許多自定義波形（例如鋸齒波、三角波或方波）并調(diào)整它們的頻率。此外，智能 AFE 可以根據(jù)感測輸入變化獲取輸入以動態(tài)調(diào)整任何波形的 DC 或頻率。

結(jié)論

TI 的智能 AFE 系列為閉環(huán)控制提供單器件解決方案。智能 AFE 將整個(gè)信號鏈的全部功能集成到一個(gè)設(shè)備中，提供 ADC 輸入、NVM、DAC 和 PWM 輸出，以及多種接口選擇。