[导读]传感器是物联网 (IoT)、各类主动化系统和我们用在丈量和阐发各类手艺机能的东西的主要输入组件。固然今朝的很多传感器都集成了模数转换进程，但传统的摹拟旌旗灯号链对切确丈量利用依然很是主要，特殊是在测试和丈量场景中。 传感器是物联网 (IoT)、各类主动化系统和我们用在丈量和阐发各类手艺机能的东西的主要输入组件。固然今朝的很多传感器都集成了模数转换进程，但传统的摹拟旌旗灯号链对切确丈量利用依然很是主要，特殊是在测试和丈量场景中。 图源：Vitaliy/stock.adobe.com 作者：JJ DeLisle 测试和丈量仪器（图1）凡是会连系高机能传感器、摹拟处置、数模转换、数字处置、数字存储和数字通讯手艺。对低精度测试仪器或一般通讯和传感手艺，摹拟旌旗灯号处置电路凡是很小，但足以向负责年夜大都旌旗灯号处置的模数转换器 (ADC) 供给足够保真的旌旗灯号。 图1：一种用在检测厚钢板缺点的超声波测试。（图源：sakarin14/stock.adobe.com） 不外对测试和丈量仪器而言，仅靠数字旌旗灯号处置是不敷的。摹拟旌旗灯号的传入保真度决议了仪器所能到达的最高精度和纠错能力。这就是为何在数字电子手艺时期，摹拟旌旗灯号处置仍然存在并阐扬侧重要感化。虽然数字处置手艺很是优异，但高质量的摹拟旌旗灯号链设计依然无可替换。 便携式仪器对设计提出了更多的要求。市场需要紧凑、切确、功能丰硕且易在利用的测试和丈量仪器。这些仪器要可以或许供给较宽的机能规模，同时采取最新的有线和无线通讯手艺并连结低功耗。对便携式测试和丈量仪器，摹拟处置必需利用超低功耗 (ULP)、高精度且尽量紧凑的设计来完成。 本文将切磋在便携式丈量利用中实行低功耗周详旌旗灯号链的利弊。 界说摹拟旌旗灯号链、周详旌旗灯号链和超低功耗 摹拟旌旗灯号链是手印拟旌旗灯号在电路上经由过程的路径，从热电偶、应变计和压力传感器等传感器最先，颠末数字化或进一步处置（如搜集、显示或存储），再到终究的摹拟处置阶段为止。它凡是还触及其他组件，如放年夜器、滤波器和经由过程ADC进行数字化之前的相干电子装备。 周详摹拟旌旗灯号链在设计时要设置机能参数，包管在将旌旗灯号调理到所需程度的同时，将系统不肯定性降至最低，为高质量捕捉旌旗灯号做好预备。低功耗摹拟旌旗灯号链专为利用有限电量（如便携式电池）长时候低功率运行而设计。 低功耗系统凡是摆设在限制产物尺寸和重量，且难以供给外部电源或改换电池的情况中。是以，很多低功耗系统设计为在低电压下长时候利用微安级的电流。极端环境下，超低功耗系统可能设计为仅利用一枚钮扣电池运行数月或数年。这些超低功耗系统凡是摆设在难以进入的情况中，但可觉得要害系统或年夜楼保护供给主要的平安、安保或监控功能。 便携式测试和丈量系统凡是是低功耗摹拟系统，一般用相对高效的便携式电池组、低压直流电源（如USB电源、电池组、12V汽车电源系统）或可再生能源（如太阳能、风能和电磁能）供电。这些系统还可以从移动系统的惯机能量中获得能量，例如当用户行走或移动时。另外，曲柄式扭转发电装配可用在专为极端偏僻情况而设计的装备，在这些情况中，没有其他可再生能源好用。例如，洞窟、矿井、水下情况、偏僻山区、冻原情况和其他极端情况中的科学考查。将来的登月或其他天体摸索可能也需要专为更极端情况而设计的超低功耗/低功耗摹拟旌旗灯号链，和各类低功率电源。 主要机能参数 下面将列出并介绍周详摹拟旌旗灯号链最多见的主要电气机能参数： •本底噪声、附加噪声和动态规模 •最年夜/最小电压、电流和功率 •频率规模 •线性度 •不肯定性 •差分或单端 •共模按捺 •电源按捺 •其他传感器输入特征 摹拟旌旗灯号链的本底噪声、附加噪声和动态规模决议了旌旗灯号链在仅引入特定不肯定性的环境下可以或许传输的旌旗灯号的最小和最年夜电压、电流或功率。假如旌旗灯号低在本底噪声（包罗旌旗灯号链中各元素发生的固有噪声），可能没法正确捕捉。摹拟和数字滤波方式可用在加强系统从噪声中提守信号的能力，但条件是要事前领会具体旌旗灯号的特点，这会增添复杂性和功耗。跨越必然电压、电流或功率规模的旌旗灯号可能会超越旌旗灯号链的处置能力，致使某些摹拟电路组件和装备旌旗灯号掉真、过载，乃至呈现应变引发的滞后。旌旗灯号链的线性度也会影响相干限值，线性度越差，动态规模就会越小，从而影响旌旗灯号的最年夜频率和分辩率。 对可以或许有用传输的旌旗灯号，每一个旌旗灯号链都有响应的频率下限和上限。凡是环境下，摹拟旌旗灯号链的本底噪声、旌旗灯号电平、频率规模和线性度是系统机能的限值参数，每一个摹拟组件、装备和线路城市影响所捕捉旌旗灯号的整体不肯定性。滤波和旌旗灯号处置方式（如加窗和求平均值）可以下降不肯定性。终究，不肯定性可能会影响可接管旌旗灯号规模的电平下限或旌旗灯号强度，和所捕捉旌旗灯号的靠得住性。 按照传感器或首选旌旗灯号链的类型，传感器和首选旌旗灯号链可以设置装备摆设为差分或单端。差分旌旗灯号链凡是具有更强的抗噪能力，并受益在更好的共模按捺和电源按捺。不外，有些类型的传感器是纯单端式，单端旌旗灯号链凡是更节能，也更简单。差分旌旗灯号链需要所有差分组件、装备和布线，其复杂度约为单端旌旗灯号链的两倍。并且，它只能利用差分放年夜器和滤波器设计。有电路方式可以在单端和差分类型之间往返转换，这类方式在高噪声情况下或单端旌旗灯号链更可行时比力受接待。 有些传感用具有必需经由过程附加电路才能实现的怪异属性。例如，电流和电压极低的传感器可能需要高增益仪表放年夜器或专用电流模式仪表放年夜器来连结旌旗灯号。不然，这些传感器可能需要很长时候（即传感器响应时候）才能到达合适读取的不变状况。在这类环境下，工程师可以别的添加摹拟电路，此电路能持久积累旌旗灯号能量，且不会造成损掉或引入毛病。 便携式利用的衡量 为了使摹拟旌旗灯号链便在携带，电子装备和电路凡是在尺寸、重量和功率方面有必然限制。摹拟电子装备还需要可以或许抵抗冲击、振动、重力和压力，并可以或许抵抗侵蚀性气体和液体、湿润、水份、碎屑、物理污染物和超越划定规模的温度等危险身分。 年夜型摹拟传感器和电路元件的功率效力、安定性和情况顺应性不敷超卓，凡是不合适便携式测试和丈量仪器。并且，在台式或尝试室仪器没法利用的环境下，凡是也会利用便携式仪器（图2）。便携式仪器还可用在要害的工业、当局/国防、医疗、科研或安保利用。是以，这些仪器承当侧重年夜责任，促使客户要求包管靠得住性和正确性。 图2：农业利用中的泥土测试用在评估泥土的pH值。（图源：wellphoto/stock.adobe.com） 尺寸和功率会限制摹拟滤波器的设计和复杂度，这些滤波器凡是包括按特定设置装备摆设摆列的电感器、电容器、电阻器、开关和晶体管。限制滤波器的尺寸和复杂度也会下降滤波器的机能，从而影响摹拟旌旗灯号链的整体机能。一样，限制摹拟放年夜器的尺寸和功率也会影响其增益、线性度、频率规模和可用拓扑布局。下降放年夜器的机能会显著下降摹拟旌旗灯号链的整体动态规模和其最年夜/最小电压、电流和功率。别的，具有低附加噪声的高增益放年夜器对提取极低功率的传感器旌旗灯号相当主要；所以下降放年夜器机能也会限制传感器的可用类型。限制摹拟旌旗灯号链组件的功率和尺寸，也意味着更切确的电路拓扑布局和组件/器件可能没法用在摹拟旌旗灯号链，从而致使旌旗灯号链中因利用精度较低的电路元件和设计而增添不肯定性。 工程师可使用校准尺度和和谈来提高特定传感器和摹拟旌旗灯号链的机能。但是，校准方式要求在测试和丈量装备中内置额外的组件、步调和电路。是以对便携式仪器来讲，内置或更紧凑的校准系统可能比外部校准电子装备更适用。不外这些系统与尝试室级校准系统和尺度的机能不在统一程度。因为空间、功率、复杂性和本钱限制，校准电路也可能简化。 是以，在设计时可能需要支出更多的尽力来降服摹拟组件、装备和电路手艺带来的限制。别的可能还需要利用更节能的手艺来驱动系统的数字电子装备；是以，假如将部门摹拟旌旗灯号链集成到IC中，那末这部门摹拟旌旗灯号链可能位在一个较小的工艺节点中，没法优化摹拟机能。当摹拟电路接近噪声产生器，或摹拟旌旗灯号链/数字电路的其他部门发生的串扰时，电路更紧凑也会带来挑战。假如处置不妥，电路分歧部门发生的噪声和串扰会下降摹拟旌旗灯号链的动态规模或增添不肯定性。便携式电子装备凡是更难屏障，由于外部干扰和噪音常常更年夜。 便携式测试和丈量装备的机能凡是没法与台式或尝试室仪器等量齐观，由于需要衡量本文所述的利弊。但是，凭仗立异的设计和丰硕的经验，工程师们可以降服很多设计挑战，并衡量与摹拟旌旗灯号链便携相干的弃取。超低功耗电子元器件、进步前辈材料和电路拓扑布局的前进，使得建立紧凑、高效、高精度的摹拟旌旗灯号链成为可能。经由过程将尖端手艺与扎实的设计经验相连系，开辟人员可以或许在便携式仪器中实现出色的正确性和靠得住性，知足市场对尺寸更小、功能更强、更节能的测试和丈量解决方案不竭增加的需求。固然价格不成避免，但该范畴的前进正在不竭冲破极限，使高机能便携式仪器可以或许用在各类要害利用。 作者简介 Jean-Jacques (JJ) DeLisle曾就读在罗切斯特理工学院 (RIT)，并取得了电气工程学士和硕士学位。在进修时代，JJ从事射频/微波研究，为年夜学杂志撰稿，而且是RIT第一个即兴喜剧团的成员。在拿到学位之前，JJ就担负了Synaptics公司的集成电路结构和主动化测试设计工程师。颠末6年开辟和判定内置同轴天线和无线传感器手艺的原创性研究，JJ在提交了多篇手艺论文并取得一江南体育项美国专利后分开了RIT。为了进一步成长他的事业，JJ和老婆Aalyia搬到了纽约市。在这里，他担负了《Microwaves RF》（微波与射频）杂志的手艺工程编纂。在此时代，JJ学会了若何将他的射频工程技术与手艺写作热忱连系起来。在JJ职业生活生计的下一个阶段，他看到行业内对有手艺能力的作者和客不雅的行业专家有很年夜的需求，在是转而开办了本身的公司RFEMX。朝着这个方针进步，JJ扩年夜了本身公司的营业规模和愿景，最先从事信息互换办事 (IXS) 营业。

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