傳感器是物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、各種自動(dòng)化系統(tǒng)以及我們用于測(cè)量和分析各種技術(shù)性能的工具的重要輸入組件。雖然目前的許多傳感器都集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程，但傳統(tǒng)的模擬信號(hào)鏈對(duì)于精確測(cè)量應(yīng)用仍然非常重要，特別是在測(cè)試和測(cè)量場(chǎng)景中。

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作者：JJ DeLisle

測(cè)試和測(cè)量?jī)x器（圖1）通常會(huì)結(jié)合高性能傳感器、模擬處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理、數(shù)字存儲(chǔ)和數(shù)字通信技術(shù)。對(duì)于低精度測(cè)試儀器或一般通信和傳感技術(shù)，模擬信號(hào)處理電路通常很小，但足以向負(fù)責(zé)大多數(shù)信號(hào)處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 提供足夠保真的信號(hào)。

圖1： 一種用于檢測(cè)厚鋼板缺陷的超聲波測(cè)試。（圖源：sakarin14/stock.adobe.com）

不過(guò)對(duì)于測(cè)試和測(cè)量?jī)x器而言，僅靠數(shù)字信號(hào)處理是不夠的。模擬信號(hào)的傳入保真度決定了儀器所能達(dá)到的最高精度和糾錯(cuò)能力。這就是為什么在數(shù)字電子技術(shù)時(shí)代，模擬信號(hào)處理依然存在并發(fā)揮著重要作用。盡管數(shù)字處理技術(shù)非常優(yōu)秀，但高質(zhì)量的模擬信號(hào)鏈設(shè)計(jì)仍然無(wú)可替代。

便攜式儀器對(duì)設(shè)計(jì)提出了更多的要求。市場(chǎng)需要緊湊、精確、功能豐富且易于使用的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器。這些儀器要能夠提供較寬的性能范圍，同時(shí)采用最新的有線和無(wú)線通信技術(shù)并保持低功耗。對(duì)于便攜式測(cè)試和測(cè)量?jī)x器，模擬處理必須使用超低功耗 (ULP)、高精度且盡可能緊湊的設(shè)計(jì)來(lái)完成。

本文將探討在便攜式測(cè)量應(yīng)用中實(shí)施低功耗精密信號(hào)鏈的利弊。

定義模擬信號(hào)鏈、精密信號(hào)鏈和超低功耗

模擬信號(hào)鏈?zhǔn)侵改M信號(hào)在電路上通過(guò)的路徑，從熱電偶、應(yīng)變計(jì)和壓力傳感器等傳感器開(kāi)始，經(jīng)過(guò)數(shù)字化或進(jìn)一步處理（如收集、顯示或存儲(chǔ)），再到最終的模擬處理階段為止。它通常還涉及其他組件，如放大器、濾波器以及通過(guò)ADC進(jìn)行數(shù)字化之前的相關(guān)電子設(shè)備。

精密模擬信號(hào)鏈在設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)置性能參數(shù)，保證在將信號(hào)調(diào)節(jié)到所需水平的同時(shí)，將系統(tǒng)不確定性降至最低，為高質(zhì)量捕獲信號(hào)做好準(zhǔn)備。低功耗模擬信號(hào)鏈專為使用有限電量（如便攜式電池）長(zhǎng)時(shí)間低功率運(yùn)行而設(shè)計(jì)。

低功耗系統(tǒng)通常部署在限制產(chǎn)品尺寸和重量，且難以提供外部電源或更換電池的環(huán)境中。因此，許多低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在低電壓下長(zhǎng)時(shí)間使用微安級(jí)的電流。極端情況下，超低功耗系統(tǒng)可能設(shè)計(jì)為僅使用一枚紐扣電池運(yùn)行數(shù)月或數(shù)年。這些超低功耗系統(tǒng)通常部署在難以進(jìn)入的環(huán)境中，但可以為關(guān)鍵系統(tǒng)或大樓維護(hù)提供重要的安全、安?；虮O(jiān)控功能。

便攜式測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)通常是低功耗模擬系統(tǒng)，一般用相對(duì)高效的便攜式電池組、低壓直流電源（如USB電源、電池組、12V汽車電源系統(tǒng)）或可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能和電磁能）供電。這些系統(tǒng)還可以從移動(dòng)系統(tǒng)的慣性能量中獲取能量，例如當(dāng)用戶行走或移動(dòng)時(shí)。此外，曲柄式旋轉(zhuǎn)發(fā)電裝置可用于專為極端偏遠(yuǎn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的設(shè)備，在這些環(huán)境中，沒(méi)有其他可再生能源好用。例如，洞穴、礦井、水下環(huán)境、偏遠(yuǎn)山區(qū)、凍原環(huán)境和其他極端環(huán)境中的科學(xué)考察。未來(lái)的登月或其他天體探索可能也需要專為更極端環(huán)境而設(shè)計(jì)的超低功耗/低功耗模擬信號(hào)鏈，以及各種低功率電源。

重要性能參數(shù)

下面將列出并介紹精密模擬信號(hào)鏈最常見(jiàn)的重要電氣性能參數(shù)：

?本底噪聲、附加噪聲和動(dòng)態(tài)范圍

?最大/最小電壓、電流和功率

?頻率范圍

?線性度

?不確定性

?差分或單端

?共模抑制

?電源抑制

?其他傳感器輸入特性

模擬信號(hào)鏈的本底噪聲、附加噪聲和動(dòng)態(tài)范圍決定了信號(hào)鏈在僅引入特定不確定性的情況下能夠傳輸?shù)男盘?hào)的最小和最大電壓、電流或功率。如果信號(hào)低于本底噪聲（包括信號(hào)鏈中各元素產(chǎn)生的固有噪聲），可能無(wú)法準(zhǔn)確捕獲。模擬和數(shù)字濾波方法可用于增強(qiáng)系統(tǒng)從噪聲中提取信號(hào)的能力，但前提是要事先了解具體信號(hào)的特征，這會(huì)增加復(fù)雜性和功耗。超過(guò)一定電壓、電流或功率范圍的信號(hào)可能會(huì)超出信號(hào)鏈的處理能力，導(dǎo)致某些模擬電路組件和設(shè)備信號(hào)失真、過(guò)載，甚至出現(xiàn)應(yīng)變引起的滯后。信號(hào)鏈的線性度也會(huì)影響相關(guān)限值，線性度越差，動(dòng)態(tài)范圍就會(huì)越小，從而影響信號(hào)的最大頻率和分辨率。

對(duì)于能夠有效傳輸?shù)男盘?hào)，每個(gè)信號(hào)鏈都有相應(yīng)的頻率下限和上限。通常情況下，模擬信號(hào)鏈的本底噪聲、信號(hào)電平、頻率范圍和線性度是系統(tǒng)性能的限值參數(shù)，每個(gè)模擬組件、設(shè)備和路線都會(huì)影響所捕獲信號(hào)的整體不確定性。濾波和信號(hào)處理方法（如加窗和求平均值）可以降低不確定性。最終，不確定性可能會(huì)影響可接受信號(hào)范圍的電平下限或信號(hào)強(qiáng)度，以及所捕獲信號(hào)的可靠性。

根據(jù)傳感器或首選信號(hào)鏈的類型，傳感器和首選信號(hào)鏈可以配置為差分或單端。差分信號(hào)鏈通常具有更強(qiáng)的抗噪能力，并受益于更好的共模抑制和電源抑制。不過(guò)，有些類型的傳感器是純單端式，單端信號(hào)鏈通常更節(jié)能，也更簡(jiǎn)單。差分信號(hào)鏈需要所有差分組件、設(shè)備和布線，其復(fù)雜度約為單端信號(hào)鏈的兩倍。而且，它只能使用差分放大器和濾波器設(shè)計(jì)。有電路方法可以在單端和差分類型之間來(lái)回轉(zhuǎn)換，這種方法在高噪聲環(huán)境下或單端信號(hào)鏈更可行時(shí)比較受歡迎。

有些傳感器具有必須通過(guò)附加電路才能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特屬性。例如，電流和電壓極低的傳感器可能需要高增益儀表放大器或?qū)Ｓ秒娏髂Ｊ絻x表放大器來(lái)保持信號(hào)。否則，這些傳感器可能需要很長(zhǎng)時(shí)間（即傳感器響應(yīng)時(shí)間）才能達(dá)到適合讀取的穩(wěn)定狀態(tài)。在這種情況下，工程師可以另外添加模擬電路，此電路能長(zhǎng)期累積信號(hào)能量，且不會(huì)造成損失或引入錯(cuò)誤。

便攜式應(yīng)用的權(quán)衡

為了使模擬信號(hào)鏈便于攜帶，電子設(shè)備和電路通常在尺寸、重量和功率方面有一定限制。模擬電子設(shè)備還需要能夠抵御沖擊、振動(dòng)、重力和壓力，并能夠抵御腐蝕性氣體和液體、潮濕、水分、碎屑、物理污染物以及超出規(guī)定范圍的溫度等危險(xiǎn)因素。

大型模擬傳感器和電路元件的功率效率、穩(wěn)固性和環(huán)境適應(yīng)性不夠出色，通常不適合便攜式測(cè)試和測(cè)量?jī)x器。而且，在臺(tái)式或?qū)嶒?yàn)室儀器無(wú)法使用的情況下，通常也會(huì)使用便攜式儀器（圖2）。便攜式儀器還可用于關(guān)鍵的工業(yè)、政府/國(guó)防、醫(yī)療、科研或安保應(yīng)用。因此，這些儀器承擔(dān)著重大責(zé)任，促使客戶要求保證可靠性和準(zhǔn)確性。

圖2：農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的土壤測(cè)試用于評(píng)估土壤的pH值。（圖源：wellphoto/stock.adobe.com）

尺寸和功率會(huì)限制模擬濾波器的設(shè)計(jì)和復(fù)雜度，這些濾波器通常包含按特定配置排列的電感器、電容器、電阻器、開(kāi)關(guān)和晶體管。限制濾波器的尺寸和復(fù)雜度也會(huì)降低濾波器的性能，從而影響模擬信號(hào)鏈的整體性能。同樣，限制模擬放大器的尺寸和功率也會(huì)影響其增益、線性度、頻率范圍和可用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。降低放大器的性能會(huì)顯著降低模擬信號(hào)鏈的整體動(dòng)態(tài)范圍及其最大/最小電壓、電流和功率。另外，具有低附加噪聲的高增益放大器對(duì)于提取極低功率的傳感器信號(hào)至關(guān)重要；所以降低放大器性能也會(huì)限制傳感器的可用類型。限制模擬信號(hào)鏈組件的功率和尺寸，也意味著更精確的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組件/器件可能無(wú)法用于模擬信號(hào)鏈，從而導(dǎo)致信號(hào)鏈中因使用精度較低的電路元件和設(shè)計(jì)而增加不確定性。

工程師可以使用校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議來(lái)提高特定傳感器和模擬信號(hào)鏈的性能。然而，校準(zhǔn)方法要求在測(cè)試和測(cè)量設(shè)備中內(nèi)置額外的組件、步驟和電路。因此對(duì)于便攜式儀器來(lái)說(shuō)，內(nèi)置或更緊湊的校準(zhǔn)系統(tǒng)可能比外部校準(zhǔn)電子設(shè)備更實(shí)用。不過(guò)這些系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室級(jí)校準(zhǔn)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的性能不在同一水平。由于空間、功率、復(fù)雜性和成本限制，校準(zhǔn)電路也可能簡(jiǎn)化。

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可能需要付出更多的努力來(lái)克服模擬組件、設(shè)備和電路技術(shù)帶來(lái)的限制。另外可能還需要使用更節(jié)能的技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字電子設(shè)備；因此，如果將部分模擬信號(hào)鏈集成到IC中，那么這部分模擬信號(hào)鏈可能位于一個(gè)較小的工藝節(jié)點(diǎn)中，無(wú)法優(yōu)化模擬性能。當(dāng)模擬電路靠近噪聲發(fā)生器，或模擬信號(hào)鏈/數(shù)字電路的其他部分產(chǎn)生的串?dāng)_時(shí)，電路更緊湊也會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。如果處理不當(dāng)，電路不同部分產(chǎn)生的噪聲和串?dāng)_會(huì)降低模擬信號(hào)鏈的動(dòng)態(tài)范圍或增加不確定性。便攜式電子設(shè)備通常更難屏蔽，因?yàn)橥獠扛蓴_和噪音往往更大。

結(jié)語(yǔ)

便攜式測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的性能通常無(wú)法與臺(tái)式或?qū)嶒?yàn)室儀器相提并論，因?yàn)樾枰獧?quán)衡本文所述的利弊。然而，憑借創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，工程師們可以克服許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并權(quán)衡與模擬信號(hào)鏈便攜相關(guān)的取舍。超低功耗電子元器件、先進(jìn)材料和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的進(jìn)步，使得創(chuàng)建緊湊、高效、高精度的模擬信號(hào)鏈成為可能。通過(guò)將尖端技術(shù)與扎實(shí)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)人員能夠在便攜式儀器中實(shí)現(xiàn)卓越的準(zhǔn)確性和可靠性，滿足市場(chǎng)對(duì)尺寸更小、功能更強(qiáng)、更節(jié)能的測(cè)試和測(cè)量解決方案不斷增長(zhǎng)的需求。雖然代價(jià)不可避免，但該領(lǐng)域的進(jìn)步正在不斷突破極限，使高性能便攜式儀器能夠用于各種關(guān)鍵應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介

Jean-Jacques (JJ) DeLisle曾就讀于羅切斯特理工學(xué)院 (RIT)，并獲得了電氣工程學(xué)士和碩士學(xué)位。在學(xué)習(xí)期間，JJ從事射頻/微波研究，為大學(xué)雜志撰稿，并且是RIT第一個(gè)即興喜劇團(tuán)的成員。在拿到學(xué)位之前，JJ就擔(dān)任了Synaptics公司的集成電路布局和自動(dòng)化測(cè)試設(shè)計(jì)工程師。經(jīng)過(guò)6年開(kāi)發(fā)和鑒定內(nèi)置同軸天線和無(wú)線傳感器技術(shù)的原創(chuàng)性研究，JJ在提交了多篇技術(shù)論文并獲得一項(xiàng)美國(guó)專利后離開(kāi)了RIT。為了進(jìn)一步發(fā)展他的事業(yè)，JJ和妻子Aalyia搬到了紐約市。在這里，他擔(dān)任了《Microwaves & RF》（微波與射頻）雜志的技術(shù)工程編輯。在此期間，JJ學(xué)會(huì)了如何將他的射頻工程技能與技術(shù)寫作熱情結(jié)合起來(lái)。在JJ職業(yè)生涯的下一個(gè)階段，他看到行業(yè)內(nèi)對(duì)有技術(shù)能力的作者和客觀的行業(yè)專家有很大的需求，于是轉(zhuǎn)而創(chuàng)辦了自己的公司RFEMX。朝著這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)，JJ擴(kuò)大了自己公司的業(yè)務(wù)范圍和愿景，開(kāi)始從事信息交換服務(wù) (IXS) 業(yè)務(wù)。