Analogās priekšgala shēmas, kas pazīstamas arī kā AFE, ir galvenie komponenti datu iegūšanas sistēmās un cita veida mērīšanas lietojumprogrammās, kurām nepieciešama analogo signālu pārvēršana ciparu formātā. Šajos AFE ir integrēti dažādi elementi, piemēram, pastiprinātāji, filtri un analogo-digitālo pārveidotāji (ADC), padarot tos noderīgus daudzos lietojumos, sākot no medicīnas instrumentiem līdz rūpnieciskām sensoru sistēmām. Tālāk mēs detalizēti izpētīsim, kas ir šie AFE, kā tie darbojas un kādās lietojumprogrammās tos parasti izmanto.
Ja esat pazīstams ar elektroniskām mērīšanas vai sensoru sistēmām, jūs zināt, ka viena no galvenajām AFE funkcijām ir no sensoriem saņemtā signāla kondicionēšana, pirms tas tiek pārveidots ciparu signālā. Tas ir īpaši svarīgi, strādājot ar zemas amplitūdas signāliem, kuriem pirms digitālās apstrādes nepieciešama pastiprināšana un filtrēšana. Bez šīm shēmām iegūtā informācija nebūtu precīza vai noderīga.
Kas ir analogās priekšgala shēmas (AFE)?
AFE ir ķēdes bloku kopums, kas apstrādā analogos signālus, pirms tie tiek pārveidoti ciparu signālos. Vienkārši izsakoties, AFE ir sava veida "tilts" starp analogo pasauli un digitālo pasauli. Tās galvenā funkcija ir uztvert “reālās pasaules” signālus, piemēram, skaņu, temperatūru vai gaismu, kondicionēt tos, izmantojot tādus procesus kā filtrēšana vai pastiprināšana, un pēc tam pārveidot tos ciparu signālos, lai tos varētu apstrādāt mikroprocesors vai iegultā sistēma.
Parasts analogās priekšgala shēmas piemērs ir medicīnas attēlveidošanas sistēmās, piemēram, digitālajos rentgena detektoros. Šāda veida sistēmās AFE ir jāveic vairākas funkcijas, piemēram, signālu integrācija, programmējama pastiprinājuma pastiprināšana un korelētā iztveršana, vienlaikus saglabājot lielu apstrādes ātrumu, lai apstrādātu lielu ģenerēto datu apjomu.
AFE kopīgās īpašības:
- Tajos ietilpst regulējami pastiprinājuma pastiprinātāji (PGA), kas ļauj regulēt signāla stiprumu pirms pārvēršanas ciparu formātā.
- Tajos ir integrēti filtri, lai novērstu troksni vai traucējumus, kas varētu sabojāt izmērīto signālu.
- Tie parasti ietver ADC, lai veiktu galīgo pārveidošanu no analogās uz digitālo.
Tipiski AFE pielietojumi
AFE ir daudzpusīgi komponenti, ko izmanto daudzās nozarēs. No datu iegūšanas sistēmām medicīnā līdz lietojumiem enerģētikas nozarē, analogās priekšgala shēmas ir ļoti svarīgas, lai nodrošinātu, ka analogos signālus var pārveidot un apstrādāt efektīvi. Tālāk mēs pārskatīsim dažas no visbiežāk sastopamajām lietojumprogrammām.
Aizsardzības un enerģijas mērīšanas releji
Enerģētikas nozarē AFE ir būtiska nozīme elektrisko sistēmu aizsardzībā. Piemēram, aizsardzības relejos, kas ir ierīces, kas uzrauga un aizsargā sistēmas pret kļūmēm, AFE ir atbildīgi par precīzu strāvas un sprieguma mērīšanu. Šie AFE ir izstrādāti tā, lai tie būtu īpaši precīzi, ļaujot atklāt pat vismazākās enerģijas sistēmu izmaiņas, novēršot katastrofālus bojājumus.
Texas Instruments, viens no vadošajiem AFE ražotājiem, ir izstrādājis īpašus risinājumus šo uz AFE balstīto aizsardzības releju ieviešanai. Šo AFE piedāvātās funkcijas ietver vienlaicīgu un saskaņotu paraugu ņemšanu, kas ir būtiska precīzai signāla uztveršanai augsta pieprasījuma elektriskās sistēmās.
AFE induktīvajos sensoros
Vēl viens tipisks AFE lietojums ir induktīvie sensori, kurus izmanto, lai izmērītu metālisku objektu tuvumu vai citus fiziskus parametrus, piemēram, kustību vai slīpumu. Induktīvo sensoru AFE ļauj noteikt magnētisko lauku izmaiņas bez magnētu radītiem traucējumiem un spēj darboties sarežģītos apstākļos, piemēram, netīrā vai putekļainā vidē. Šie AFE parasti ir atrodami dažādās ierīcēs, sākot no sadzīves tehnikas, piemēram, putekļu sūcējiem, līdz elektroniskajiem instrumentiem un rūpnieciskajiem robotiem.
Šo AFE priekšrocību vidū ir to spēja strādāt sarežģītos apstākļos, kā arī to vienkāršā integrācija ar citām elektroniskajām sistēmām. Daudzos gadījumos AFE risinājumi induktīviem sensoriem ietver īpašas ierīces, piemēram, LDC0851, kas vienkāršo induktīvo pārslēgšanu.
AFE medicīniskajā diagnostikā
Medicīnas jomā AFE ir arī plašs lietojumu klāsts. Viens no svarīgākajiem piemēriem ir digitālās rentgena sistēmas, kur AFE izmanto plakano detektoru paneļu uztverto signālu apstrādei. Šajos AFE papildus programmējamo pastiprinājuma pastiprinātāju integrēšanai ir iekļauti integratori un ADC, kas ļauj precīzi izmērīt radiācijas līmeni.
Šīs augstas precizitātes medicīniskās AFE sistēmas ļauj precīzi noregulēt skenēšanas laiku un piedāvā dažādas slodzes diapazona iespējas, kas ir būtiskas, lai pielāgotos dažāda veida testiem, neatkarīgi no tā, vai tie ir statiski, daļēji dinamiski vai dinamiski. Tas ievērojami atvieglo medicīnas speciālistu darbu, jo viņi var pielāgot parametrus atbilstoši savām īpašajām vajadzībām.
Medicīnisko AFE priekšrocības:
- Vairāku funkciju integrācija vienā iepakojumā, ietaupot vietu un samazinot dizaina sarežģītību.
- Augsta precizitāte mazu signālu mērīšanā, piemēram, tos, kas uzņemti rentgena attēlos.
- Iespēja veikt kompromisus starp veiktspēju un enerģijas patēriņu atkarībā no pielietojuma veida.
Pakešu un arhitektūru daudzveidība
Viena no lielajām AFE priekšrocībām ir to pakešu un arhitektūru daudzveidība. Atkarībā no lietojuma veida AFE var būt no vienkāršām trīs kanālu 8 bitu sistēmām līdz sarežģītākām konfigurācijām, tostarp 16 kanāliem un 14 bitiem. Iepakojuma veids, piemēram, TQFP, SOIC vai QFN, parasti ir atkarīgs no projektēšanā nepieciešamās telpas veida un siltuma izkliedes.
Parasto iekapsulāciju piemēri
AFE izmantotā iepakojuma piemērs ir 80-TQFP, kas ir izplatīts sistēmās, kurām nepieciešams apstrādāt vairākus kanālus ar mērenu jaudu. Ir arī 28-TSSOP, ko izmanto lietojumprogrammām, kur nepieciešams kompakts izmērs. Citas pakotnes ietver 40-QFN, kas vēl vairāk samazina ierīces izmēru, nemazinot veiktspēju.
Interesanti, ka daudzas no šīm ierīcēm ir paredzētas uzstādīšanai uz virsmas, tāpēc tās ir viegli integrēt kompaktās sistēmās, piemēram, valkājamās medicīnas ierīcēs vai bezvadu sensoru sistēmās.
Analogās priekšgala shēmas nākotne
Tā kā pieprasījums pēc sensoru sistēmām un elektroniskām ierīcēm turpina pieaugt, pieaugs arī vajadzība pēc analogajām priekšgala shēmām, kas spēj efektīvi apstrādāt šos signālus. Attīstoties tehnoloģijai, ir sagaidāms, ka AFE turpinās attīstīties, piedāvājot lielāku precizitāti, mazāku enerģijas patēriņu un lielākas integrācijas iespējas iegultajās sistēmās.
Gan medicīnas sistēmās, gan rūpnieciskās lietojumprogrammās analogās priekšgala shēmas joprojām būs būtiska daļa no tā, kā mēs mijiedarbojamies ar reālo pasauli, izmantojot datus. Tādām tehnoloģijām kā lietiskais internets (IoT) arvien vairāk parādās, pieprasījums pēc AFE, kas var strādāt skarbos apstākļos ar lielu uzticamību, tikai pieaugs.
Analogās priekšējās shēmas ir galvenie elementi fizisko signālu pārveidošanā datos, ko var apstrādāt digitāli. Neatkarīgi no tā, vai lietojat medicīnas sensorus vai rūpnieciskās sistēmas, AFE nodrošina būtisku savienojumu starp analogo un digitālo pasauli. Ar savām pastiprināšanas, filtrēšanas un pārveidošanas iespējām šīs shēmas ļauj pārveidot un pārraidīt signālus ar lielu precizitāti. Tāpēc tā izmantošana un attīstība arī turpmāk būtu būtiska daudzās tehnoloģiju nozarēs.