Analoogsed esiotsa vooluringid, tuntud ka kui AFE, on võtmekomponendid andmehõivesüsteemides ja muud tüüpi mõõtmisrakendustes, mis nõuavad analoogsignaalide digitaalseks muutmist. Need AFE-d integreerivad erinevaid elemente, nagu võimendid, filtrid ja analoog-digitaalmuundurid (ADC), muutes need kasulikuks paljudes rakendustes, alates meditsiiniseadmetest kuni tööstuslike andurisüsteemideni. Järgmisena uurime üksikasjalikult, mis need AFE-d on, kuidas need töötavad ja millistes rakendustes neid tavaliselt kasutatakse.
Kui tunnete elektroonilisi mõõtmis- või andurisüsteeme, siis teate, et AFE-de üks peamisi funktsioone on anduritelt saadava signaali konditsioneerimine enne selle digitaalsignaaliks teisendamist. See on eriti oluline madala amplituudiga signaalidega töötamisel, mis nõuavad enne digitaalset töötlemist võimendamist ja filtreerimist. Ilma nende vooluringideta poleks saadud teave täpne ega kasulik.
Mis on analoog esiotsa vooluringid (AFE)?
AFE on vooluringiplokkide komplekt, mis töötlevad analoogsignaale enne nende muundamist digitaalsignaalideks. Lihtsamalt öeldes on AFE omamoodi sild analoogmaailma ja digitaalmaailma vahel. Selle põhiülesanne on jäädvustada "pärismaailma" signaale, nagu heli, temperatuur või valgus, reguleerida neid selliste protsesside abil nagu filtreerimine või võimendamine ja seejärel teisendada need digitaalsignaalideks, et neid saaks töödelda mikroprotsessori või manussüsteemiga.
Analoogse esiotsa vooluringi tavaline näide on see, mida leidub meditsiinilistes pildisüsteemides, näiteks digitaalsetes röntgendetektorites. Seda tüüpi süsteemides peab AFE täitma mitmeid funktsioone, nagu signaalide integreerimine, programmeeritav võimenduse võimendamine ja korreleeritud diskreetimine, säilitades samal ajal suure töötlemiskiiruse, et töödelda suurt hulka genereeritud andmeid.
AFEde ühised omadused:
- Nende hulka kuuluvad reguleeritavad võimendusvõimendid (PGA), mis võimaldavad signaali tugevust enne digitaalseks muutmist reguleerida.
- Need integreerivad filtreid, et kõrvaldada müra või häired, mis võivad mõõdetud signaali rikkuda.
- Tavaliselt sisaldavad need ADC-sid, et teostada lõplik konversioon analoogilt digitaalseks.
AFEde tüüpilised rakendused
AFE-d on mitmekülgsed komponendid, mida kasutatakse paljudes tööstusharudes. Alates meditsiini andmehõivesüsteemidest kuni energiatööstuse rakendusteni on analoogsed esiotsa vooluringid üliolulised, et tagada analoogsignaalide tõhus teisendamine ja töötlemine. Järgmisena vaatame üle mõned selle levinumad rakendused.
Kaitse- ja energiamõõtereleed
Energiasektoris mängivad AFE-d elektrisüsteemide kaitsmisel olulist rolli. Näiteks kaitsereleedes, mis on seadmed, mis jälgivad ja kaitsevad süsteeme rikete eest, vastutavad AFE-d voolu ja pinge täpse mõõtmise eest. Need AFE-d on loodud olema äärmiselt täpsed, võimaldades tuvastada isegi väikseimad kõikumised toitesüsteemides, vältides katastroofilisi kahjustusi.
Texas Instruments, üks juhtivaid AFE-de tootjaid, on välja töötanud spetsiifilised lahendused nende AFE-põhiste kaitsereleede rakendamiseks. Nende AFE-de pakutavad funktsioonid hõlmavad samaaegset ja sidusat diskreetimist, mis on suure nõudlusega elektrisüsteemide täpseks signaali püüdmiseks hädavajalik.
AFE induktiivsetes andurites
Teine tüüpiline AFE-de kasutusala on induktiivsed andurid, mida kasutatakse metallobjektide läheduse või muude füüsiliste parameetrite, näiteks liikumise või kalde mõõtmiseks. Induktiivsete andurite AFE-d võimaldavad tuvastada magnetväljade kõikumisi ilma magnetite tekitatud häireteta ja on võimelised töötama rasketes tingimustes, näiteks määrdunud või tolmuses keskkonnas. Neid AFE-sid leidub tavaliselt paljudes seadmetes, alates kodumasinatest, nagu tolmuimejad, kuni elektrooniliste tööriistade ja tööstusrobotiteni.
Nende AFE-de eeliste hulgas on nende võime töötada rasketes tingimustes, samuti nende lihtne integreerimine teiste elektrooniliste süsteemidega. Paljudel juhtudel hõlmavad induktiivandurite AFE-lahendused spetsiaalseid seadmeid, nagu LDC0851, mis lihtsustavad induktiivset lülitamist.
AFEd meditsiinilises diagnostikas
Meditsiinivaldkonnas on AFE-del ka lai valik rakendusi. Üks asjakohasemaid näiteid on digitaalsed röntgenisüsteemid, kus AFE-sid kasutatakse lamedetektoripaneelide poolt vastuvõetud signaalide töötlemiseks. Need AFE-d sisaldavad lisaks programmeeritavate võimendusvõimendite integreerimisele integraatoreid ja ADC-sid, mis võimaldavad kiirgustaset täpselt mõõta.
Need ülitäpsed meditsiinilised AFE-süsteemid võimaldavad skaneerimisaegu peenhäälestada ja pakuvad erinevaid koormusvahemiku valikuid, mis on hädavajalikud, et kohaneda erinevat tüüpi testidega, olgu need siis staatilised, pooldünaamilised või dünaamilised. See hõlbustab oluliselt meditsiinitöötajate tööd, kuna nad saavad kohandada parameetreid vastavalt oma konkreetsetele vajadustele.
Meditsiiniliste AFEde eelised:
- Mitme funktsiooni integreerimine ühte paketti, säästes ruumi ja vähendades disaini keerukust.
- Suur täpsus väikeste signaalide mõõtmisel, näiteks need, mis on jäädvustatud röntgenipiltidel.
- Võimalus teha kompromisse jõudluse ja energiatarbimise vahel olenevalt rakenduse tüübist.
Pakettide ja arhitektuuride mitmekesisus
Üks AFE-de suuri eeliseid on pakettide ja arhitektuuride mitmekesisus, mida nad saavad kasutada. Olenevalt rakenduse tüübist võivad AFE-d ulatuda lihtsatest kolme kanaliga 8-bitistest süsteemidest kuni keerukamate konfiguratsioonideni, mis sisaldavad 16 kanalit ja 14 bitti. Pakendi tüüp, nagu TQFP, SOIC või QFN, sõltub tavaliselt kujunduses nõutavast ruumi tüübist ja soojuse hajumist.
Tavaliste kapseldamiste näited
AFE-des kasutatavate pakendite näide on 80-TQFP, mis on tavaline süsteemides, mis peavad töötama mitut kanalit mõõduka võimsusega. Samuti on olemas 28-TSSOP, mida kasutatakse rakendustes, kus on vaja kompaktset suurust. Teised paketid sisaldavad 40-QFN-i, mis vähendab veelgi seadme suurust jõudlust kahjustamata.
Huvitav on see, et paljud neist seadmetest on mõeldud pinnale kinnitamiseks, mistõttu on neid lihtne integreerida kompaktsetesse süsteemidesse, nagu kantavad meditsiiniseadmed või juhtmeta andurisüsteemid.
Analoogse esiotsa vooluringide tulevik
Kuna nõudlus sensorsüsteemide ja elektroonikaseadmete järele kasvab, kasvab ka vajadus analoogsete esiotsa vooluahelate järele, mis suudavad neid signaale tõhusalt käsitleda. Tehnoloogia arenedes eeldatakse, et AFE-d arenevad edasi, pakkudes suuremat täpsust, väiksemat energiatarbimist ja suuremaid integreerimisvõimalusi manussüsteemidega.
Kas meditsiinisüsteemides või tööstuslikes rakendustes on analoogsed esiotsa vooluringid jätkuvalt oluline osa sellest, kuidas me reaalse maailmaga andmete kaudu suhtleme. Kuna sellised tehnoloogiad nagu asjade internet (IoT) on üha enam esile kerkinud, kasvab nõudlus karmides keskkondades suure töökindlusega töötavate AFEde järele.
Analoogsed esiotsa vooluringid on põhielemendid füüsiliste signaalide muundamisel andmeteks, mida saab digitaalselt töödelda. Olenemata sellest, kas tegemist on meditsiiniliste andurite või tööstussüsteemidega, pakuvad AFE-d üliolulist ühendust analoog- ja digitaalmaailma vahel. Nende võimendus-, filtreerimis- ja teisendusvõimalustega võimaldavad need vooluringid signaale suure täpsusega teisendada ja edastada. Seetõttu oleks selle kasutamine ja arendamine paljudes tehnoloogiasektorites jätkuvalt hädavajalik.