從手機到工業(yè)設備甚至醫(yī)療設備，傳感器在我們的智能設備中無處不在的使用增加了對更智能的傳感器技術的需求，這些技術更通用、更低的總體成本，并且需要更少的資源來開發(fā)和維護。

大多數(shù)模擬傳感器系統(tǒng)包含三個關鍵元素：測量特定形式能量的模擬傳感器、處理傳感器信號的數(shù)字等效物的微控制器 （MCU），以及它們之間的模擬前端 （AFE） 系統(tǒng)（圖 1 ）。AFE 接收傳感器的信號并將其轉換/轉換以供 MCU 使用，因為在大多數(shù)情況下，傳感器輸出信號不能直接連接到 MCU。

圖 1：模擬前端 （AFE） 轉換和調(diào)節(jié)模擬傳感器信號以供 MCU 使用。

與當前 AFE 設計方法相關的挑戰(zhàn)是耗時的試錯調(diào)整過程，以及缺乏從單個 AFE 支持多個傳感器的靈活性和可擴展性。此外，許多 AFE 在生產(chǎn)過程中沒有考慮傳感器漂移或調(diào)整傳感器微調(diào)，這直接降低了傳感器的質(zhì)量。然而，全新的完全可配置 AFE 技術使設計人員能夠克服這些障礙。

AFE 的重要性

AFE 本身執(zhí)行多種功能，具體取決于應用。AFE 的一項功能是放大微弱到 MCU 無法讀取的信號。AFE 電路采用放大器來提供比傳感器提供的電壓大數(shù)百或高達數(shù)千倍的輸出電壓。這通常使用運算放大器來完成，運算放大器的成本和功率會根據(jù)所需的特性而有很大差異。根據(jù)傳感器特性，AFE 放大器結構會有所不同。例如，如果傳感器輸出是差分且低阻抗的，則可以使用簡單的差分輸入。另一方面，如果傳感器輸出是差分和高阻抗的，則可能需要更復雜的儀表放大器和匹配的高阻抗輸入。

AFE 的另一個功能是過濾來自傳感器的不需要的頻率范圍，例如，以滿足 Nyquist 限制或消除 DC 偏移。在將模擬信號轉換為數(shù)字信號之前，必須消除這種噪聲。AFE 必須采用低通濾波器電路來阻擋高頻噪聲和/或采用高通電路來消除低頻噪聲。

AFE 的第三個功能是將信號從一種信號類型轉換為另一種信號類型。例如，典型的傳感器輸出電壓，但有些輸出電流。MCU ADC 電路不接受電流輸入，因此這些電流必須在進入 MCU 之前轉換為電壓。這種電流到電壓的轉換由 AFE 電路（稱為跨阻 （I/V） 電路）執(zhí)行，該電路還將產(chǎn)生的電壓放大到 MCU 可用的電平。

AFE 設計面臨的挑戰(zhàn)

大多數(shù) AFE 電路都是定制設計的，以滿足正在開發(fā)的特定系統(tǒng)的電氣要求。工程師必須設計電路，選擇合適的 IC 和無源元件，然后測試和調(diào)整生成的電路和 PCB 布局。在許多情況下，這需要試錯法來校準正確的模擬電路設計。這種迭代調(diào)整過程既耗時又耗費資源，對開發(fā)成本和上市時間產(chǎn)生不利影響。此外，由于特定的組件行為、電路板布局和附近的噪聲源，AFE 通常難以仿真并且必須進行調(diào)整。

支持多個傳感器的 AFE 電路的可擴展性也有限或沒有可擴展性，更不用說多種類型的傳感器（即不同的拓撲結構）。AFE 電路是為一個特定的傳感器設計的，因此即使使用相同的拓撲結構，也很難將一個傳感器換成另一個使用相同 AFE 的傳感器。

最后，傳感器需要在生產(chǎn)過程中不斷調(diào)整——針對傳感器修整進行調(diào)整——或者因為它們會隨著時間的推移而退化，并且在部署到現(xiàn)場后不容易被糾正。固定組件 AFE 設計無法校正傳感器漂移，也無法輕松調(diào)整傳感器微調(diào)。軟件支持的設計方法可以提供幫助。

讓我們來看看這些挑戰(zhàn)中的每一個。

可配置的 AFE 簡化了校準試驗和錯誤

查看可用的數(shù)百種不同類型的傳感器，可以觀察到常見的拓撲結構和信號特性范圍，并了解能夠簡單地改變運算放大器的特性或動態(tài)改變增益值，將顯著降低復雜性并減少開發(fā)時間。

Renesas Smart Analog 技術就是一個完全可配置的 AFE 技術的例子，它支持這種能力。如圖 2 所示，這種技術包括五個要素：三個獨立的可配置放大器、一個具有同步檢測能力的附加放大器、一個通用運算放大器、一個具有可變截止頻率的低通濾波器，最后是一個高通濾波器具有可變截止頻率。

圖 2：具有可選集成 MCU 的完全可配置 AFE 示意圖

設計工程師只需為這些不同的電路模塊設置主要參數(shù)，然后選擇這些模塊之間的連接，即可創(chuàng)建所需的定制 AFE 電路。三個高度可配置的放大器可用于生產(chǎn)定制的 I/V 跨阻轉換器/放大器、同相放大器、反相放大器、差分放大器或求和放大器。該芯片可以定制配置以實現(xiàn)一系列信號放大增益，并提供可調(diào)節(jié)的信號電壓偏移范圍。

此外，該 IC 中的放大器可配置為實現(xiàn)單通道、高阻抗儀表放大器。這種類型的差分放大器對于連接高阻抗傳感器（例如壓電類型）是必不可少的。

由于 AFE 負責放大/過濾/轉換來自傳感器的信號，MCU（內(nèi)部或外部設備）可以分析 AFE 信號以動態(tài)更改增益值（即在系統(tǒng)運行時）以補償變化在周圍環(huán)境中。這種“閉環(huán)”自調(diào)節(jié) AFE 結構提供了更強大、更智能的傳感器接口。

集成的 AFE+MCU 設備提供了微調(diào)過程自動化的額外好處，因為它將讀取來自 AFE 的信號并將其與已知參數(shù)進行比較，從而對 AFE 進行必要的調(diào)整，從而降低系統(tǒng)生產(chǎn)成本。同樣，MCU 可以自動調(diào)整 AFE 增益，以抵消隨著傳感器退化而隨著時間的推移預計會發(fā)生的信號生成偏差。

可配置 AFE 提供可擴展性

雖然可配置性對于降低復雜性和調(diào)試時間很重要，但另一個關鍵設計因素是可擴展性。AFE 具有足夠的連接端子來容納通常需要的所有傳感器，從而消除了為每個傳感器配備單獨的 AFE 電路的傳統(tǒng)要求。通過一個 AFE 處理整個傳感器陣列有助于縮小電路板，同時減少系統(tǒng)組件數(shù)量，同時將功耗降低多達 20%。事實上，由于這些 AFE 的接口簡單（僅與 SPI 線和 MCU 的 ADC 通道相連），因此可以使用一個 MCU 連接多達 96 個傳感器。

軟件支持的設計方法

極端的可配置性可能會帶來工具復雜性的負擔，因此擁有一個簡單的基于軟件的設計工具非常重要，該工具可以針對特定應用配置和定制 AFE 的特性。當可以簡單地設置 AFE 寄存器值并且拓撲、增益/偏移值和特性都可以在軟件中完成時，設計人員不再需要了解硬件的最低級別，也不需要成為模擬專家。

此類工具應在 PC 上運行，并為選擇典型傳感器類型提供簡單的方法，例如壓力、濕度、加速度、沖擊、磁性和壓電類型——支持多種拓撲和特性。Smart Analog 軟件提供了這種高度直觀的環(huán)境，設計人員可以在其中輕松設置參數(shù)、更改拓撲、進行偏移調(diào)整，并能夠添加濾波器，當然還可以訪問信號引腳。

由于該工具本身已經(jīng)具有不同傳感器配置文件的庫，因此系統(tǒng)工程師很容易在他們的設計中找到一個起點。AFE 輸出信號的圖形表示可用于監(jiān)控具有接近實時反饋的系統(tǒng)，這將使 AFE 的調(diào)整和調(diào)諧變得非常容易。所有這些特性降低了開發(fā)的復雜性，從而降低了資源成本。

設置好配置后，該工具會輸出一個寄存器文件，可供 MCU 上的軟件使用。MCU 將傳感器設置存儲在其固件內(nèi)的片上閃存（非易失性）存儲器中，當系統(tǒng)通電時，MCU 將存儲的設置發(fā)送到智能模擬 IC 中的寄存器，從而相應地重新配置該芯片。

簡化 AFE 設計的負擔

AFE 是傳感器系統(tǒng)的關鍵組件，但有時卻被低估了。添加運算放大器和濾波器的典型分立方法以及電阻器的試錯焊接效率不高，調(diào)試和開發(fā)的時間成本很容易超過添加基于 MCU 的智能可配置 AFE 的成本。但并非所有可配置的 AFE 都是相同的。因此，重要的是要考慮 AFE 支持不同類型傳感器的靈活性和可擴展性，以及“動態(tài)”或現(xiàn)場調(diào)整的智能。簡單易用的軟件工具可以簡化此過程，甚至團隊中的非模擬專家也可以使用。

審核編輯：郭婷