Analoginės priekinės grandinės, taip pat žinomos kaip AFE, yra pagrindiniai komponentai duomenų rinkimo sistemose ir kitose matavimo programose, kurioms reikalingas analoginių signalų konvertavimas į skaitmeninius. Šiuose AFE integruoti įvairūs elementai, pvz., stiprintuvai, filtrai ir analoginiai-skaitmeniniai keitikliai (ADC), todėl jie yra naudingi daugelyje programų, pradedant medicininiais prietaisais ir baigiant pramoninėmis jutiklių sistemomis. Toliau mes išsamiai išnagrinėsime, kas yra šie AFE, kaip jie veikia ir kokiomis programomis jie dažniausiai naudojami.
Jei esate susipažinę su elektroninėmis matavimo ar jutiklių sistemomis, žinosite, kad viena iš pagrindinių AFE funkcijų yra kondicionuoti iš jutiklių gaunamą signalą prieš jį konvertuojant į skaitmeninį signalą. Tai ypač svarbu dirbant su mažos amplitudės signalais, kuriuos prieš skaitmeninį apdorojimą reikia sustiprinti ir filtruoti. Be šių grandinių gauta informacija nebūtų tiksli ar naudinga.
Kas yra analoginės priekinės grandinės (AFE)?
AFE yra grandinės blokų rinkinys, kuris apdoroja analoginius signalus prieš paverčiant juos skaitmeniniais signalais. Paprastais žodžiais tariant, AFE yra tam tikras „tiltas“ tarp analoginio pasaulio ir skaitmeninio pasaulio. Jo pagrindinė funkcija yra užfiksuoti „realaus pasaulio“ signalus, tokius kaip garsas, temperatūra ar šviesa, kondicionuoti juos naudojant tokius procesus kaip filtravimas ar stiprinimas, o tada konvertuoti į skaitmeninius signalus, kad juos būtų galima apdoroti mikroprocesoriumi arba įterptosios sistemos.
Įprastas analoginės priekinės grandinės pavyzdys yra medicinos vaizdavimo sistemose, pvz., skaitmeniniuose rentgeno detektoriuose. Tokio tipo sistemose AFE turi atlikti keletą funkcijų, tokių kaip signalo integravimas, programuojamas stiprinimo stiprinimas ir koreliacinis diskretizavimas, kartu išlaikant didelį apdorojimo greitį, kad būtų galima apdoroti didelį generuojamų duomenų kiekį.
Bendros AFE charakteristikos:
- Juose yra reguliuojami stiprinimo stiprintuvai (PGA), kurie leidžia reguliuoti signalo stiprumą prieš konvertuojant į skaitmeninį.
- Jie integruoja filtrus, kad pašalintų triukšmą ar trukdžius, kurie gali sugadinti išmatuotą signalą.
- Paprastai juose yra ADC, kad būtų atliktas galutinis konvertavimas iš analoginio į skaitmeninį.
Tipiški AFE pritaikymai
AFE yra universalūs komponentai, naudojami daugelyje pramonės šakų. Nuo duomenų rinkimo sistemų medicinoje iki taikomųjų programų energetikos pramonėje – analoginės priekinės grandinės yra labai svarbios siekiant užtikrinti, kad analoginiai signalai būtų konvertuojami ir apdorojami efektyviai. Toliau apžvelgsime kai kurias dažniausiai pasitaikančias programas.
Apsaugos ir energijos matavimo relės
Energetikos sektoriuje AFE atlieka pagrindinį vaidmenį saugant elektros sistemas. Pavyzdžiui, apsauginėse relėse, kurios yra įrenginiai, stebintys ir apsaugantys sistemas nuo gedimų, AFE yra atsakingi už tikslų srovės ir įtampos matavimą. Šie AFE sukurti taip, kad būtų itin tikslūs, kad būtų galima aptikti net mažiausius maitinimo sistemų svyravimus, taip išvengiant katastrofiškos žalos.
„Texas Instruments“, vienas iš pirmaujančių AFE gamintojų, sukūrė konkrečius sprendimus, kaip įdiegti šias AFE pagrįstas apsaugos reles. Šių AFE siūlomos funkcijos apima vienalaikį ir nuoseklų mėginių ėmimą, kuris yra būtinas norint tiksliai užfiksuoti signalą didelės paklausos elektros sistemose.
AFE indukciniuose jutikliuose
Kitas tipiškas AFE panaudojimas yra indukciniai jutikliai, naudojami metalinių objektų artumui ar kitiems fiziniams parametrams, pvz., judėjimui ar pokrypiui, matuoti. Indukcinių jutiklių AFE leidžia aptikti magnetinių laukų pokyčius be magnetų trikdžių ir gali veikti sudėtingomis sąlygomis, pavyzdžiui, nešvarioje ar dulkėtoje aplinkoje. Šie AFE paprastai randami įvairiuose įrenginiuose – nuo buitinių prietaisų, tokių kaip dulkių siurbliai, iki elektroninių įrankių ir pramoninių robotų.
Tarp šių AFE privalumų yra jų gebėjimas dirbti sudėtingomis sąlygomis, taip pat lengvas integravimas su kitomis elektroninėmis sistemomis. Daugeliu atvejų AFE sprendimai indukciniams jutikliams apima specialius įrenginius, tokius kaip LDC0851, kurie supaprastina indukcinį perjungimą.
AFE medicininėje diagnozėje
Medicinos srityje AFE taip pat turi platų pritaikymo spektrą. Vienas iš aktualiausių pavyzdžių yra skaitmeninėse rentgeno sistemose, kur AFE naudojami plokščių detektorių plokščių gaunamiems signalams apdoroti. Šie AFE, be programuojamų stiprinimo stiprintuvų, turi integratorius ir ADC, leidžiančius tiksliai išmatuoti radiacijos lygį.
Šios didelio tikslumo medicininės AFE sistemos leidžia tiksliai sureguliuoti nuskaitymo laiką ir siūlo įvairias apkrovos diapazono parinktis, kurios yra būtinos norint prisitaikyti prie įvairių tipų statinių, pusiau dinaminių ar dinaminių testų. Tai labai palengvina medicinos specialistų darbą, nes jie gali koreguoti parametrus pagal savo specifinius poreikius.
Medicininių AFE privalumai:
- Kelių funkcijų integravimas į vieną paketą, taupantis erdvę ir sumažinantis dizaino sudėtingumą.
- Didelis tikslumas matuojant mažus signalus, pvz., užfiksuotus rentgeno vaizduose.
- Galimybė atlikti kompromisus tarp našumo ir energijos suvartojimo, atsižvelgiant į taikymo tipą.
Paketų ir architektūrų įvairovė
Vienas iš didžiausių AFE privalumų yra paketų ir architektūrų įvairovė, kurią jie gali pritaikyti. Priklausomai nuo taikymo tipo, AFE gali būti nuo paprastų trijų kanalų, 8 bitų sistemų iki sudėtingesnių konfigūracijų, įskaitant 16 kanalų ir 14 bitų. Pakuotės tipas, pvz., TQFP, SOIC arba QFN, paprastai priklauso nuo projektuojant reikalingos erdvės ir šilumos išsklaidymo tipo.
Įprastų kapsulių pavyzdžiai
AFE naudojamos pakuotės pavyzdys yra 80-TQFP, kuris yra įprastas sistemose, kuriose reikia tvarkyti kelis kanalus esant vidutinei galiai. Taip pat yra 28-TSSOP, kuris naudojamas tais atvejais, kai reikia kompaktiško dydžio. Kiti paketai apima 40-QFN, kuris dar labiau sumažina įrenginio dydį nepakenkiant našumui.
Įdomu tai, kad daugelis šių įrenginių yra skirti montuoti ant paviršiaus, todėl juos lengva integruoti į kompaktiškas sistemas, tokias kaip nešiojami medicinos prietaisai ar belaidžių jutiklių sistemos.
Analoginės priekinės grandinės ateitis
Kadangi jutiklių sistemų ir elektroninių prietaisų paklausa ir toliau auga, taip pat didės analoginių priekinių grandinių, galinčių efektyviai valdyti šiuos signalus, poreikis. Tikimasi, kad tobulėjant technologijoms AFE ir toliau tobulės, siūlydami didesnį tikslumą, mažesnes energijos sąnaudas ir didesnes integravimo į įterptąsias sistemas galimybes.
Nesvarbu, ar tai būtų medicinos sistemos, ar pramonė, analoginės priekinės grandinės ir toliau bus esminė sąveikos su realiu pasauliu per duomenis dalis. Vis labiau atsirandant tokioms technologijoms kaip daiktų internetas (IoT), AFE, galinčių labai patikimai veikti atšiaurioje aplinkoje, paklausa tik didės.
Analoginės priekinės grandinės yra pagrindinės dalys konvertuojant fizinius signalus į duomenis, kuriuos galima apdoroti skaitmeniniu būdu. Nesvarbu, ar naudojami medicinos jutikliai, ar pramoninės sistemos, AFE užtikrina gyvybiškai svarbų ryšį tarp analoginio ir skaitmeninio pasaulių. Su stiprinimo, filtravimo ir konvertavimo galimybėmis šios grandinės leidžia labai tiksliai konvertuoti ir perduoti signalus. Todėl jo naudojimas ir plėtra ir toliau būtų labai svarbūs įvairiuose technologijų sektoriuose.