目前，幾乎所有數(shù)字IC都提供低功耗3V版本。模擬電路傳統(tǒng)上使用更高電壓的電源，有時(shí)使用雙電源來實(shí)現(xiàn)更高的性能。通常，設(shè)計(jì)具有單電源5V或3V電源軌的系統(tǒng)更容易、更便宜。低壓設(shè)備中較低功率的運(yùn)行也使其成為電池供電便攜式儀器的理想選擇。

如果您設(shè)計(jì)蜂窩電話、筆記本電腦或其他大批量便攜式產(chǎn)品，您就會(huì)知道半導(dǎo)體行業(yè)一直在加班加點(diǎn)地幫助您將設(shè)計(jì)遷移到低電壓和低功耗。如今，幾乎任何您想要的數(shù)字IC功能都可以提供低功耗3V版本。

這在模擬世界中變得同樣正確。為大批量應(yīng)用開發(fā)的IC和技術(shù)現(xiàn)在也可以利用中等容量工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)。例如，最初開發(fā)的用于讀取PDA中的筆位置的低壓A/D轉(zhuǎn)換器也可用于測(cè)量手持式醫(yī)療產(chǎn)品中的葡萄糖水平。

挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)傳感器和系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器之間的電路。由于低功耗和減小的電壓范圍的限制，從傳感器獲得真實(shí)信號(hào)的穩(wěn)定表示的問題變得非常復(fù)雜。 考慮到精密數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)是12位線性度（這是4，096分之一）。這意味著2.5V范圍（3V系統(tǒng)）中最低有效位僅為0.6mV。

在圖1中，系統(tǒng)電源與電壓范圍進(jìn)行了比較。在此圖中，您可以看到在單個(gè)3V系統(tǒng)中采集信號(hào)所需的相對(duì)精度是正負(fù)15V系統(tǒng)中要求的八倍。出色的運(yùn)算放大器（如廣受歡迎的OP-07）改善了這些寬跨度的奢華性，其電壓失調(diào)小于100μV。

圖1.不斷縮小的LSB。

不幸的是，你不能帶著像OP-07這樣的老朋友一起前往3V陸地。它們僅規(guī)定在正負(fù) 15V 下工作。幸運(yùn)的是，可以使用3V電源軌進(jìn)行精密數(shù)據(jù)采集。你只需要結(jié)交新朋友，學(xué)習(xí)利用舊朋友的新方法。

一些設(shè)計(jì)人員考慮生成更高電壓的電源，然后將最終設(shè)計(jì)移植到便攜式領(lǐng)域。這些設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，只制作正負(fù)5V或正負(fù)10V電源比嘗試解決低壓設(shè)計(jì)問題更容易。盡管許多首次使用便攜式儀器的設(shè)計(jì)人員都想這樣做，但有幾個(gè)原因?qū)е滤皇且粋€(gè)好方法。

第一個(gè)也是最明顯的原因是權(quán)力。例如，當(dāng)您將主3V電源增加三倍并將其反相以正負(fù)9V時(shí)，電路的功率會(huì)增加10倍，并考慮效率損耗。此外，使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器建立雙電壓軌會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射噪聲問題，這些問題在便攜式儀器的封閉范圍內(nèi)很難消除。

單一供電軌道目標(biāo)

即使僅使用一對(duì)9V電池的線性穩(wěn)壓器即可產(chǎn)生雙電源，即使噪聲不是問題，整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)變得笨拙。通常，設(shè)計(jì)具有5V或3V單電源軌的系統(tǒng)更容易、更便宜。然而，在特殊情況下，可能需要使用小型、安靜且屏蔽良好的電容式電荷泵開發(fā)具有中等輸出電流能力的更高或更低的電壓。

顯然，用于簡(jiǎn)單單電源設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)技術(shù)是不同的。規(guī)則是遵循一種集成方法，更好地利用系統(tǒng)中所有可用資源。充分利用微處理器和軟件來處理使用這些組件可以更好地修復(fù)的問題尤為重要。

研究誤差來源

但是，在開始采用微處理器方法之前，請(qǐng)研究您的錯(cuò)誤源。設(shè)計(jì)任何模擬系統(tǒng)都包括圍繞誤差源進(jìn)行設(shè)計(jì)，并盡量減少誤差源的影響。使用的工具是某種形式的誤差預(yù)算，然后是試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)分區(qū)。

下表列出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見的一些錯(cuò)誤源。表中的數(shù)字表示具有12.2V范圍、5kHz帶寬和50增益的100位系統(tǒng)的典型值。

如果您閱讀運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)，您就會(huì)熟悉這些錯(cuò)誤中的大多數(shù)。列出的誤差與數(shù)據(jù)手冊(cè)上的誤差相同，但表現(xiàn)在最終系統(tǒng)中，而不是單個(gè)元件中。遺憾的是，大多數(shù)誤差不隨電源電壓成比例，這使得它們?cè)诘碗妷合赂鼮橹匾?/p>

表：典型錯(cuò)誤源和解決方案

*總未調(diào)整誤差

漂移的意義

在大多數(shù)情況下，誤差的絕對(duì)大小不如其隨溫度或時(shí)間的漂移重要。在使用緊密耦合的微處理器或微控制器的便攜式儀器中尤其如此。由于傳感器或系統(tǒng)其他部分的增益誤差、失調(diào)誤差或非線性特性引起的誤差源應(yīng)在軟件中校正。

在模擬域中進(jìn)行線性化、精確跨度和零點(diǎn)調(diào)整的嘗試是沒有意義的。如今，模擬硬件設(shè)計(jì)任務(wù)得到簡(jiǎn)化有兩個(gè)主要原因。首先，處理器馬力非常便宜。在軟件中進(jìn)行傳感器線性化要容易得多，即使使用粗糙的查找表方法也是如此。其次，跨度減小使得許多更聰明的模擬電路技巧更難實(shí)現(xiàn)，特別是對(duì)于不是專家的模擬工程師而言。

使用處理器方法，只需對(duì)誤差源進(jìn)行足夠好的管理，即可為A/D轉(zhuǎn)換器和CPU生成可重復(fù)且穩(wěn)定的輸入。這仍然需要大量的努力、對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注和模擬設(shè)計(jì)技能。您必須真正將 A/D 轉(zhuǎn)換器、CPU 和軟件算法視為傳感器采集電路的一部分，而不是遵循它的智能電壓表。

內(nèi)部接口

大多數(shù)基于傳感器的電路示例都會(huì)產(chǎn)生額外的誤差，以使最終輸出達(dá)到一個(gè)不錯(cuò)的零到x伏范圍。例如，雖然工業(yè)4mA至20mA變送器需要這樣做，但在嵌入式便攜式儀器中完全沒有必要具有如此干凈的內(nèi)部接口。

對(duì)于微處理器，例如，模擬電路的范圍是否為0.2346V至2.4139V，其輸出是否通過二次公式與測(cè)量參數(shù)相關(guān)，這實(shí)際上并不重要。一旦這些絕對(duì)電壓通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字，通過簡(jiǎn)單的公式或查找來按摩這些數(shù)字就很容易在軟件中完成。如果不是，你最好花一些時(shí)間來簡(jiǎn)化軟件，而不是讓模擬電路更復(fù)雜。

參見圖2。該框圖顯示了典型的基于傳感器的便攜式儀器的數(shù)據(jù)采集部分，包括CPU和系統(tǒng)軟件。在軟件中進(jìn)行傳感器線性化要容易得多，即使使用粗糙的查找表方法也是如此。即使是功能不大的處理器也可以處理同步解調(diào)、平均、直方圖和一些 DSP。著眼于關(guān)鍵領(lǐng)域的權(quán)衡，查看這些塊的目的。

圖2.通用傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。

讓我們先考慮傳感器。了解傳感器的物理特性和等效電路非常重要，以便有效地為其設(shè)計(jì)接口。許多傳感器使用傳統(tǒng)的激勵(lì)源，這在便攜式儀器中可能不是必需的。

一個(gè)很好的例子是通常用于激勵(lì)鉑RTD（電阻溫度檢測(cè)器）溫度測(cè)量傳感器的1mA源。可以用電阻代替電流源，在進(jìn)行其他校正時(shí)，軟件中消除分壓器效應(yīng)。

信號(hào)鏈中的第一個(gè)模塊是前置放大器。它放大或緩沖原始傳感器信號(hào)，以保持最大的信噪比。這部分電路在設(shè)計(jì)上需要非常謹(jǐn)慎，并且對(duì)傳感器的等效電路有最豐富的了解。給定傳感器有經(jīng)典的前置放大器，如激勵(lì)電路。這些通常可以通過現(xiàn)代低功耗組件來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于具有非常高的直流增益和有限失調(diào)（這些失調(diào)會(huì)“軌化”信號(hào)處理鏈）的系統(tǒng)，失調(diào)D/A轉(zhuǎn)換器可能是將系統(tǒng)歸零的好方法。但如果可能的話，應(yīng)該避免這種情況。

后置放大器要求

鏈中的下一個(gè)塊是后置放大器。該器件提供簡(jiǎn)單的增益，假設(shè)前置放大器成功地將輸入信號(hào)從泥濘中升出。如有必要，該模塊的增益可以調(diào)節(jié)，但通常最好使用更高的A/D轉(zhuǎn)換器分辨率，而不是采用可編程增益。如果精度很重要，請(qǐng)僅在必要時(shí)使用軌到軌?輸入和輸出放大器。這些部件通常具有具有交叉區(qū)域的復(fù)雜輸入，這會(huì)使精確操作變得困難。

后置放大器通常之后是濾波器級(jí)。該濾波器設(shè)計(jì)用于在需要時(shí)將輸入信號(hào)限制在A/D采樣頻率的一半以下。

采樣保持、基準(zhǔn)電壓源和A/D轉(zhuǎn)換器功能通常在單個(gè)芯片中提供。但是，應(yīng)單獨(dú)考慮其錯(cuò)誤源。大多數(shù)現(xiàn)代A/D轉(zhuǎn)換器都具有難以驅(qū)動(dòng)的高電容輸入。

對(duì)于不重要的設(shè)計(jì)，許多轉(zhuǎn)換器中的內(nèi)部基準(zhǔn)是一個(gè)方便的功能。但對(duì)于精密設(shè)計(jì)，幾乎必須使用外部基準(zhǔn)。最好完全消除引用。考慮比率式設(shè)計(jì)，其中基準(zhǔn)電壓源來自激勵(lì)信號(hào)。下面的示例使用此技術(shù)。

最后，看看CPU和軟件。由于 CPU 嵌入在系統(tǒng)中，因此可以而且應(yīng)該使用 CPU 密集型技術(shù)。應(yīng)考慮同步解調(diào)、平均、直方圖、快速傅里葉變換 （FFT） 或其他 DSP 方法，即使使用適度的微控制器也是如此。

示例：便攜式 RTD 接口應(yīng)用

下面是使用上面討論的一些技術(shù)的設(shè)計(jì)示例。這是一款RTD（電阻溫度檢測(cè)器）溫度計(jì)，范圍為-50°C至+ 175°C，分辨率優(yōu)于0.1°C。 這種單電源 3V 設(shè)計(jì)平均吸收 25μA 電流，同時(shí)每秒轉(zhuǎn)換 20 次。

傳感器 RT1 是鉑 RTD，標(biāo)稱電阻為 100 歐姆（0°C 時(shí)）。它的電阻在-80°C時(shí)為3.50歐姆，在+170°C時(shí)為3.185歐姆（RTD不是線性的;它們遵循一個(gè)非常明確的拋物線曲線，在一小部分一度之內(nèi)。

激勵(lì)源由電阻R4和R5組成，作為電橋的一部分。它們將通過 RTD 的電流限制在大約 1mA。R4和R5之間的抽頭用于導(dǎo)出比率參考。激勵(lì)由晶體管Q1控制。它還提供開/關(guān)控制以節(jié)省電力。請(qǐng)注意，電橋右側(cè)的R3和R12串也消耗約1mA電流。因此，傳感器子系統(tǒng)在導(dǎo)通時(shí)吸收 2mA 電流。雙通道運(yùn)算放大器由相同的開關(guān)電源軌供電，但與電阻電流相比，其34μA漏極可以忽略不計(jì)。

U1B（Maxim MAX478運(yùn)算放大器的一半）由前置放大器和后置放大器組成（此處只需要一個(gè)級(jí)）。MAX478額定工作在3V以下，具有與OP-07相當(dāng)?shù)闹绷魇д{(diào)。它僅吸收 17μA 的電源電流。雖然它不是軌到軌運(yùn)算放大器，但它可以在接地和正電源軌的一伏以內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)采用 3V 電源供電時(shí)，輕負(fù)載時(shí)，其輸出可擺動(dòng)至 2.2V。

在該應(yīng)用中，MAX478配置為增益為20的差動(dòng)放大器。它減去R12兩端的電壓，校正RTD處80.3歐姆的失調(diào)電阻。一旦失調(diào)被消除，差分放大器就會(huì)放大RTD電壓的變化，增益為19。這使得輸出在1°C時(shí)為8.175V滿量程。

由于RTD的響應(yīng)緩慢特性，因此不需要濾波器。此外，由于傳感器的低阻抗，來自外部來源（如60Hz線路）的干擾不是問題。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器為Maxim MAX147。它是一款八通道 12 位轉(zhuǎn)換器芯片，額定工作電壓低至 2.7V，最初設(shè)計(jì)用于 PDA。它包括采樣保持電路，并通過3線SPI串行接口與CPU接口。電流消耗在工作時(shí)約為 1mA，在停機(jī)模式時(shí)降至約 10μA。MAX147的轉(zhuǎn)換速率為100k樣本/秒。這種速度增強(qiáng)了系統(tǒng)節(jié)能效果，因?yàn)?A/D 可以在轉(zhuǎn)換之間休眠。以 20 次轉(zhuǎn)換/秒的速度轉(zhuǎn)換，它僅運(yùn)行 0.02% 的時(shí)間。在此速率下，該電路的平均電流僅為25μA。

A/D 沒有內(nèi)部基準(zhǔn)，按比例操作。運(yùn)算放大器U1A用于緩沖電路中1.9V標(biāo)稱值點(diǎn)的A/D。運(yùn)算放大器是必需的，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器吸收100μA （進(jìn)入其基準(zhǔn)引腳）。該運(yùn)算放大器級(jí)輸出端的電路允許驅(qū)動(dòng)大旁路電容而不會(huì)變得不穩(wěn)定。（它用電阻隔離電容;獨(dú)立的交流和直流反饋路徑保持直流精度和交流穩(wěn)定性。在另一個(gè)放大器部分不需要此網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槲?A/D 輸入的直流電流非常小;只需要隔離容性負(fù)載。

圖3.RTD 原理圖。

進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量 按比例使用A/D轉(zhuǎn)換器的問題之一是它不能再用于進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量，例如在測(cè)量
電池時(shí)。訣竅是測(cè)量固定參考并將讀數(shù)與未知讀數(shù)進(jìn)行比較（參見圖3底部用虛線括起來的小電路）。

為此，將兩個(gè)電阻R9和R10縮放的電池電壓施加到A/D（通道CH1上）并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。基準(zhǔn)（由MAX6120獲得）在第二通道（CH2）上轉(zhuǎn)換。參考讀數(shù)與電池讀數(shù)的比率用于指示電池電壓。

該方案的替代方案是在需要時(shí)使用模擬開關(guān)連接基準(zhǔn)電壓源。然而，對(duì)于電池電壓監(jiān)控的簡(jiǎn)單要求，這里顯示的電路工作得很好。

審核編輯：郭婷