採用數據採集訊號鏈模擬，簡化元件選擇和測試

以往設計數據採集系統即是從一大堆規格書中尋找合適的元件組合，並對拼湊起來的原型設計進行故障排除。如今，設計人員可以使用數位設計工具來節省時間和精力。這些工具能夠將感測器、類比訊號調節模塊、類比數位轉換器 (ADC)、數位濾波器等組件的模型拖放到虛擬訊號鏈中。設計人員能由此軟體模擬虛擬鏈的輸出，瞭解所選組件如何影響訊噪比 (SNR)、增益和偏移誤差，以及功率等。

Analog Devices, Inc. (ADI) 的 Precision Studio 數位設計套件包含 Signal Chain Designer 模組，可協助設計人員在建立數據採集系統之前對其進行模擬。在 Signal Chain Designer 中，使用者選擇一個感測器，設定模型的參數，然後在訊號鏈中放入代表組件的電路模塊 (圖 1)。

圖 1：ADI Precision Studio 的 Signal Chain Designer 讓設計人員選擇感測器，然後將電路模塊拖曳到訊號鏈中，以模擬數據採集組件。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

感測器訊號必須經過幾級，才能成為可靠的資料。各級都由一個或多個電子或積體電路 (IC) 組件組成，完成訊號處理以進入下一級。最常見的各級為：放大類比訊號、濾波類比訊號、將類比訊號轉換為數位訊號，以及濾波數位訊號。

類比訊號放大級

感測器產生的類比訊號往往無法達到數據採集系統的最佳輸入。類比訊號放大級使用運算放大器、全差動放大器、參考電壓，以及電阻、電容、電感等被動元件，將感測器訊號轉換為數據採集系統可有效接收的形式。

在 Signal Chain Designer 中，使用者可以指定類比放大級的輸入和輸出類型、所需的增益，以及達到正確電壓輸入所需的位準偏移。此軟體接著使用 ADI 產品建立一個符合指定參數的電路，並輸出線路圖。

例如，圖 1 中使用的感測器，在 1 kHz 時的阻抗為 1 kΩ，電容為 100 pF，使用者可以指定增益為 2 V/V，位準偏移為 2.5 V (圖 2)。

圖 2：Signal Chain Designer 的使用者可指定類比訊號放大級的配置、增益、位準偏移和其他參數。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

軟體會依據這些參數，建立一個類比訊號放大級的電路線路圖 (圖 3，上)，其包含一個 ADA4097-2 運算放大器。ADA4097-2 系列的運算放大器每通道僅需 32.5 µA 即可達到 130 kHz 的增益頻寬積 (GBP)，因此可達到大訊號電壓增益，在 0.1 Hz 至 10 Hz 之間峰值 (_P-P) 雜訊為 1,000 nV，以及在 6 Hz 典型的 1/f 雜訊轉角。

此軟體還為放大器級開發一個參考電路。此電路採用 ADI 的 LTC6655B-2.5 精密帶隙參考電壓和 AD8510 運算放大器 (圖 3，下)。

圖 3：Signal Chain Designer 類比訊號放大級電路線路圖，基於使用者規格要求，並包含 ADI 的對應電子元件。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

LTC6655B-2.5 在 0.1 Hz 至 10 Hz 內，雜訊為 625 nV_P-P、0.25 ppm_P-P，最大準確度為 ±0.025%，具有低電壓漂移，最大為 2 ppm/°C，確保無論輸入電壓和負載如何變化，都能輸出穩定的訊號電壓。AD8510 接面場效電晶體 (JFET) 運算放大器在 1 kHz 時通常具有 8 nV 的頻譜雜訊，僅需 25 pA 的輸入偏壓電流，並在 500 ns 內趨穩至 0.1% 的誤差帶內。

Signal Chain Designer 還允許使用者指定在此階段對訊號進行調節的方式。使用者可以配置全差動放大器、儀表放大器、電流感測放大器。

類比訊號濾波級

接著必須對放大後的類比訊號進行濾波，以消除放大過程中引入的雜訊和失真。可以使用電阻和電容等被動元件建立一階濾波器，在截止頻率之後，具有 -20 dB/decade 的平緩滾降。二階以及更高階的濾波器通常是主動濾波器，採用一個或多個運算放大器，達到更陡峭的滾降。

濾波器配置將決定衰減高於中心頻率 f₀ 的頻率 (低通)、低於 f₀ 的頻率 (高通)、兩個截止頻率之外的頻率 (帶通) 還是特定頻帶以外的頻率 (帶阻或陷波)。其他濾波器參數，如 Q 值，可進一步精細濾波器響應，定義滾降的陡峭程度、暫態特性、通帶形狀。

在 Signal Chain Designer 中，使用者可以選擇濾波器類型，並且指定關鍵參數，配置簡單濾波器的參數。還可以使用 Signal Chain Designer 的濾波器精靈，設計簡單的濾波器，包括三階及更高階的濾波器，並將匯入數位訊號鏈設計中。在此範例 (圖 4) 中，使用者選擇 f₀ 為 10 kHz、Q 值為 0.707 的低通濾波器。所選的 Sallen-Key 型濾波器使用單一運算放大器接受高輸入阻抗並輸出低阻抗訊號，具有良好的穩定性。

圖 4：使用者在 Signal Chain Designer 中定義類比濾波級參數，包括濾波器類型、f₀、Q 值、增益。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

Signal Chain Designer 使用這些參數，輸出一個包含 ADI 的 LT6020 軌對軌運算放大器的電路 (圖 5)。LT6020 的功耗低於 100 µA，但仍能以 5 V/µs 的迴轉率快速回應輸入訊號的變化。在 -40°C 至 +125°C 的溫度範圍內，其 GBP 為 400 kHz。

圖 5：Signal Chain Designer 輸出的類比訊號濾波器級電路圖，指定使用具有高迴轉率和低功耗的 LT6020 運算放大器作為低通 Sallen-Key 二階濾波器。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

類比數位轉換級

訊號從感測器回應到成為有用資料的最後一步是將類比訊號轉換為數位形式。常見的 ADC 架構包括連續漸近暫存器 (SAR)，可在中等取樣率下獲得良好的解析度；以及三角積分 (ΔΣ)，可在較低的取樣速度下獲得高解析度。設計人員必須瞭解輸入類型、系統解析度、輸出資料速率，以達到所需的數位輸出。

使用者在 Signal Chain Designer 中指定這些參數，軟體即輸出一個 ADC 電路，該電路在輸入端包含參考電壓和被動電阻式／電容式 (RC) 濾波器。部分 ADC 還可讓使用者整合數位濾波或將 ADC 設定為高阻抗 (Hi-Z) 模式，促成更簡單、更低功率的設計。

在範例 (圖 6) 中，Signal Chain Designer 的輸出指定 ADI 的 ADR4525 參考電壓和 AD7175-2 ΔΣ ADC。ADR4525 具有良好的溫度穩定性，溫度係數介於 0.8 ppm/°C 至 4.0 ppm/°C，在 2.048 V_OUT 和 0.1 Hz 至 10 Hz 時，輸出雜訊為 1 µV_P-P。AD7175-2 是一款 24 位元 ADC，傳輸量為 250 kSPS，趨穩時間為 20 µs。

圖 6：在類比數位轉換級，Signal Chain Designer 的電路圖包含一個被動 RC 輸入濾波器、一個參考電壓、一個 ADC 模組。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

在訊號鏈的各級，使用者都可以查看適用的替代組件產品表。例如，設計人員可以選擇以 AD4008 等 SAR ADC 取代範例中所示的 ΔΣ ADC。AD4008 在 10 kSPS 時功耗為 70 µW，在 2 MSPS 時功耗為 14 mW，這是其最大功率。偽差動操作在 Hi-Z 模式下可達到 16 位元精密度，且設計更簡化。

在類比數位轉換之後，設計人員可以在 Signal Chain Designer 中將數位濾波器模塊添加到 ADC 的下游設計以最佳化輸出。這些數位濾波器模塊中的選項包括平均值、一階和二階濾波器，以及簡單移動平均 CIC 濾波器。

使用 Signal Chain Designer 建立虛擬數據採集系統後，使用者可以在軟體內部模擬頻率響應、雜訊、直流誤差預算、功率、輸入範圍。Signal Chain Designer 可以進行更客製化的模擬，建立可在 LTspice 中編輯和運作的虛擬測試平台。

結論

ADI 的 Signal Chain Designer 等數位工具可以大幅減少建構精密數據採集系統時的猜測和挫折感。Signal Chain Designer 軟體內建各種現成的運算放大器、參考電壓、ADC 和其他元件的模型，使用者能以虛擬方式微調數據採集系統，確保順暢過渡到採集和部署硬體。