面向便携式应用的精密模拟信号链让精准测量更加便捷

传感器是物联网 (IoT)、各种自动化系统以及我们用于测量和分析各种技术性能的工具的重要输入组件。虽然目前的许多传感器都集成了模数转换过程，但传统的模拟信号链对于精确测量应用仍然非常重要，特别是在测试和测量场景中。

图源： Vitaliy/stock.adobe.com

作者：JJ DeLisle

测试和测量仪器（图1）通常会结合高性能传感器、模拟处理、数模转换、数字处理、数字存储和数字通信技术。对于低精度测试仪器或一般通信和传感技术，模拟信号处理电路通常很小，但足以向负责大多数信号处理的模数转换器 (ADC) 提供足够保真的信号。

图1： 一种用于检测厚钢板缺陷的超声波测试。（图源：sakarin14/stock.adobe.com）

不过对于测试和测量仪器而言，仅靠数字信号处理是不够的。模拟信号的传入保真度决定了仪器所能达到的最高精度和纠错能力。这就是为什么在数字电子技术时代，模拟信号处理依然存在并发挥着重要作用。尽管数字处理技术非常优秀，但高质量的模拟信号链设计仍然无可替代。

便携式仪器对设计提出了更多的要求。市场需要紧凑、精确、功能丰富且易于使用的测试和测量仪器。这些仪器要能够提供较宽的性能范围，同时采用最新的有线和无线通信技术并保持低功耗。对于便携式测试和测量仪器，模拟处理必须使用超低功耗 (ULP)、高精度且尽可能紧凑的设计来完成。

本文将探讨在便携式测量应用中实施低功耗精密信号链的利弊。

定义模拟信号链、精密信号链和超低功耗

模拟信号链是指模拟信号在电路上通过的路径，从热电偶、应变计和压力传感器等传感器开始，经过数字化或进一步处理（如收集、显示或存储），再到最终的模拟处理阶段为止。它通常还涉及其他组件，如放大器、滤波器以及通过ADC进行数字化之前的相关电子设备。

精密模拟信号链在设计时要设置性能参数，保证在将信号调节到所需水平的同时，将系统不确定性降至最低，为高质量捕获信号做好准备。低功耗模拟信号链专为使用有限电量（如便携式电池）长时间低功率运行而设计。

低功耗系统通常部署在限制产品尺寸和重量，且难以提供外部电源或更换电池的环境中。因此，许多低功耗系统设计为在低电压下长时间使用微安级的电流。极端情况下，超低功耗系统可能设计为仅使用一枚纽扣电池运行数月或数年。这些超低功耗系统通常部署在难以进入的环境中，但可以为关键系统或大楼维护提供重要的安全、安保或监控功能。

便携式测试和测量系统通常是低功耗模拟系统，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性能量中获取能量，例如当用户行走或移动时。此外，曲柄式旋转发电装置可用于专为极端偏远环境而设计的设备，在这些环境中，没有其他可再生能源好用。例如，洞穴、矿井、水下环境、偏远山区、冻原环境和其他极端环境中的科学考察。未来的登月或其他天体探索可能也需要专为更极端环境而设计的超低功耗/低功耗模拟信号链，以及各种低功率电源。

重要性能参数

下面将列出并介绍精密模拟信号链最常见的重要电气性能参数：

•本底噪声、附加噪声和动态范围

•最大/最小电压、电流和功率

•频率范围

•线性度

•不确定性

•差分或单端

•共模抑制

•电源抑制

•其他传感器输入特性

模拟信号链的本底噪声、附加噪声和动态范围决定了信号链在仅引入特定不确定性的情况下能够传输的信号的最小和最大电压、电流或功率。如果信号低于本底噪声（包括信号链中各元素产生的固有噪声），可能无法准确捕获。模拟和数字滤波方法可用于增强系统从噪声中提取信号的能力，但前提是要事先了解具体信号的特征，这会增加复杂性和功耗。超过一定电压、电流或功率范围的信号可能会超出信号链的处理能力，导致某些模拟电路组件和设备信号失真、过载，甚至出现应变引起的滞后。信号链的线性度也会影响相关限值，线性度越差，动态范围就会越小，从而影响信号的最大频率和分辨率。

对于能够有效传输的信号，每个信号链都有相应的频率下限和上限。通常情况下，模拟信号链的本底噪声、信号电平、频率范围和线性度是系统性能的限值参数，每个模拟组件、设备和路线都会影响所捕获信号的整体不确定性。滤波和信号处理方法（如加窗和求平均值）可以降低不确定性。最终，不确定性可能会影响可接受信号范围的电平下限或信号强度，以及所捕获信号的可靠性。

根据传感器或首选信号链的类型，传感器和首选信号链可以配置为差分或单端。差分信号链通常具有更强的抗噪能力，并受益于更好的共模抑制和电源抑制。不过，有些类型的传感器是纯单端式，单端信号链通常更节能，也更简单。差分信号链需要所有差分组件、设备和布线，其复杂度约为单端信号链的两倍。而且，它只能使用差分放大器和滤波器设计。有电路方法可以在单端和差分类型之间来回转换，这种方法在高噪声环境下或单端信号链更可行时比较受欢迎。

有些传感器具有必须通过附加电路才能实现的独特属性。例如，电流和电压极低的传感器可能需要高增益仪表放大器或专用电流模式仪表放大器来保持信号。否则，这些传感器可能需要很长时间（即传感器响应时间）才能达到适合读取的稳定状态。在这种情况下，工程师可以另外添加模拟电路，此电路能长期累积信号能量，且不会造成损失或引入错误。

便携式应用的权衡

为了使模拟信号链便于携带，电子设备和电路通常在尺寸、重量和功率方面有一定限制。模拟电子设备还需要能够抵御冲击、振动、重力和压力，并能够抵御腐蚀性气体和液体、潮湿、水分、碎屑、物理污染物以及超出规定范围的温度等危险因素。

大型模拟传感器和电路元件的功率效率、稳固性和环境适应性不够出色，通常不适合便携式测试和测量仪器。而且，在台式或实验室仪器无法使用的情况下，通常也会使用便携式仪器（图2）。便携式仪器还可用于关键的工业、政府/国防、医疗、科研或安保应用。因此，这些仪器承担着重大责任，促使客户要求保证可靠性和准确性。

图2：农业应用中的土壤测试用于评估土壤的pH值。（图源：wellphoto/stock.adobe.com）

尺寸和功率会限制模拟滤波器的设计和复杂度，这些滤波器通常包含按特定配置排列的电感器、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降低滤波器的性能，从而影响模拟信号链的整体性能。同样，限制模拟放大器的尺寸和功率也会影响其增益、线性度、频率范围和可用拓扑结构。降低放大器的性能会显著降低模拟信号链的整体动态范围及其最大/最小电压、电流和功率。另外，具有低附加噪声的高增益放大器对于提取极低功率的传感器信号至关重要；所以降低放大器性能也会限制传感器的可用类型。限制模拟信号链组件的功率和尺寸，也意味着更精确的电路拓扑结构和组件/器件可能无法用于模拟信号链，从而导致信号链中因使用精度较低的电路元件和设计而增加不确定性。

工程师可以使用校准标准和协议来提高特定传感器和模拟信号链的性能。然而，校准方法要求在测试和测量设备中内置额外的组件、步骤和电路。因此对于便携式仪器来说，内置或更紧凑的校准系统可能比外部校准电子设备更实用。不过这些系统与实验室级校准系统和标准的性能不在同一水平。由于空间、功率、复杂性和成本限制，校准电路也可能简化。

因此，在设计时可能需要付出更多的努力来克服模拟组件、设备和电路技术带来的限制。另外可能还需要使用更节能的技术来驱动系统的数字电子设备；因此，如果将部分模拟信号链集成到IC中，那么这部分模拟信号链可能位于一个较小的工艺节点中，无法优化模拟性能。当模拟电路靠近噪声发生器，或模拟信号链/数字电路的其他部分产生的串扰时，电路更紧凑也会带来挑战。如果处理不当，电路不同部分产生的噪声和串扰会降低模拟信号链的动态范围或增加不确定性。便携式电子设备通常更难屏蔽，因为外部干扰和噪音往往更大。

结语

便携式测试和测量设备的性能通常无法与台式或实验室仪器相提并论，因为需要权衡本文所述的利弊。然而，凭借创新的设计和丰富的经验，工程师们可以克服许多设计挑战，并权衡与模拟信号链便携相关的取舍。超低功耗电子元器件、先进材料和电路拓扑结构的进步，使得创建紧凑、高效、高精度的模拟信号链成为可能。通过将尖端技术与扎实的设计经验相结合，开发人员能够在便携式仪器中实现卓越的准确性和可靠性，满足市场对尺寸更小、功能更强、更节能的测试和测量解决方案不断增长的需求。虽然代价不可避免，但该领域的进步正在不断突破极限，使高性能便携式仪器能够用于各种关键应用。

作者简介

Jean-Jacques (JJ) DeLisle曾就读于罗切斯特理工学院 (RIT)，并获得了电气工程学士和硕士学位。在学习期间，JJ从事射频/微波研究，为大学杂志撰稿，并且是RIT第一个即兴喜剧团的成员。在拿到学位之前，JJ就担任了Synaptics公司的集成电路布局和自动化测试设计工程师。经过6年开发和鉴定内置同轴天线和无线传感器技术的原创性研究，JJ在提交了多篇技术论文并获得一项美国专利后离开了RIT。为了进一步发展他的事业，JJ和妻子Aalyia搬到了纽约市。在这里，他担任了《Microwaves & RF》（微波与射频）杂志的技术工程编辑。在此期间，JJ学会了如何将他的射频工程技能与技术写作热情结合起来。在JJ职业生涯的下一个阶段，他看到行业内对有技术能力的作者和客观的行业专家有很大的需求，于是转而创办了自己的公司RFEMX。朝着这个目标前进，JJ扩大了自己公司的业务范围和愿景，开始从事信息交换服务 (IXS) 业务。