Analogové front-end obvody, také známé jako AFE, jsou klíčovými součástmi v systémech sběru dat a dalších typech měřicích aplikací, které vyžadují převod analogových signálů na digitální. Tyto AFE integrují různé prvky, jako jsou zesilovače, filtry a analogově-digitální převodníky (ADC), díky čemuž jsou užitečné v mnoha aplikacích, od lékařských přístrojů po průmyslové senzorové systémy. Dále podrobně prozkoumáme, co tyto AFE jsou, jak fungují a v jakých aplikacích se obvykle používají.
Pokud jste obeznámeni s elektronickým měřením nebo senzorovými systémy, budete vědět, že jednou z hlavních funkcí AFE je upravit signál přijímaný ze senzorů před tím, než je převeden na digitální signál. To je důležité zejména při práci se signály s nízkou amplitudou, které před digitálním zpracováním vyžadují zesílení a filtraci. Bez těchto obvodů by výsledné informace nebyly přesné ani užitečné.
Co jsou analogové front-end obvody (AFE)?
AFE je sada obvodových bloků, které zpracovávají analogové signály předtím, než jsou převedeny na digitální signály. Jednoduše řečeno, AFE je jakýmsi „mostem“ mezi analogovým světem a digitálním světem. Jeho hlavní funkcí je zachytit signály „reálného světa“, jako je zvuk, teplota nebo světlo, upravit je pomocí procesů, jako je filtrování nebo zesílení, a poté je převést na digitální signály, aby je mohl zpracovat mikroprocesor nebo vestavěný systém.
Běžným příkladem analogového předního obvodu je obvod v lékařských zobrazovacích systémech, jako jsou digitální rentgenové detektory. V těchto typech systémů musí AFE provádět několik funkcí, jako je integrace signálu, programovatelné zesílení zesílení a korelované vzorkování, to vše při zachování vysoké rychlosti zpracování pro zpracování velkého množství generovaných dat.
Společné vlastnosti AFE:
- Zahrnují zesilovače s nastavitelným ziskem (PGA), které umožňují upravit sílu signálu před převodem na digitální.
- Integrují filtry pro eliminaci šumu nebo rušení, které by mohlo poškodit měřený signál.
- Obvykle obsahují ADC pro provedení konečného převodu z analogového na digitální.
Typické aplikace AFE
AFE jsou všestranné komponenty, které se používají v mnoha průmyslových odvětvích. Od systémů pro sběr dat v medicíně až po aplikace v energetickém průmyslu jsou analogové front-end obvody rozhodující pro zajištění toho, aby analogové signály mohly být efektivně převedeny a zpracovány. Dále se podíváme na některé z jeho nejběžnějších aplikací.
Relé ochrany a měření energie
V energetickém sektoru hrají AFE zásadní roli v ochraně elektrických systémů. Například v ochranných relé, což jsou zařízení, která monitorují a chrání systémy před poruchami, jsou AFE zodpovědné za přesné měření proudu a napětí. Tyto AFE jsou navrženy tak, aby byly extrémně přesné a umožňovaly detekovat i ty nejmenší odchylky v energetických systémech, čímž se zabránilo katastrofickým škodám.
Texas Instruments, jeden z předních výrobců AFE, vyvinul specifická řešení pro implementaci těchto ochranných relé založených na AFE. Funkce nabízené těmito AFE zahrnují simultánní a koherentní vzorkování, které je nezbytné pro přesné zachycení signálu ve vysoce náročných elektrických systémech.
AFE v indukčních snímačích
Další typické použití AFE je v indukčních senzorech, které se používají k měření blízkosti kovových předmětů nebo jiných fyzikálních parametrů, jako je pohyb nebo sklon. AFE pro indukční snímače umožňují detekovat změny v magnetických polích bez rušení magnety a jsou schopny pracovat v obtížných podmínkách, jako je špinavé nebo prašné prostředí. Tyto AFE se obvykle nacházejí v široké škále zařízení, od domácích spotřebičů, jako jsou vysavače, po elektronické nástroje a průmyslové roboty.
Mezi výhody těchto AFE patří jejich schopnost pracovat v obtížných podmínkách a také jejich snadná integrace s jinými elektronickými systémy. V mnoha případech AFE řešení pro indukční snímače zahrnují vyhrazená zařízení, jako je LDC0851, která zjednodušují indukční spínání.
AFE v lékařské diagnostice
V lékařské oblasti mají AFE také širokou škálu aplikací. Jedním z nejdůležitějších příkladů jsou digitální rentgenové systémy, kde se AFE používají ke zpracování signálů přijímaných plochými detektorovými panely. Tyto AFE kromě integrace programovatelných zesilovačů zesílení obsahují integrátory a ADC, které umožňují přesné měření úrovní záření.
Tyto vysoce přesné lékařské AFE systémy umožňují jemné doladění časů skenování a nabízejí různé možnosti rozsahu zátěže, což je nezbytné pro přizpůsobení různým typům testů, ať už statických, semidynamických nebo dynamických. To značně usnadňuje práci lékařů, protože si mohou upravit parametry podle svých specifických potřeb.
Výhody lékařských AFE:
- Integrace více funkcí v jednom balíčku, šetří místo a snižuje složitost návrhu.
- Vysoká přesnost při měření malých signálů, jako jsou signály zachycené na rentgenových snímcích.
- Možnost kompromisů mezi výkonem a spotřebou energie v závislosti na typu aplikace.
Rozmanitost balíčků a architektur
Jednou z velkých výhod AFE je rozmanitost balíčků a architektur, které mohou přijmout. V závislosti na typu aplikace se AFE mohou pohybovat od jednoduchých tříkanálových, 8bitových systémů až po složitější konfigurace zahrnující 16 kanálů a 14 bitů. Typ obalu, jako je TQFP, SOIC nebo QFN, obvykle závisí na typu prostoru a tepelném rozptylu požadovaném v návrhu.
Příklady běžných zapouzdření
Příkladem balení používaného v AFE je 80-TQFP, které je běžné v systémech, které potřebují zpracovávat více kanálů při mírném výkonu. K dispozici je také 28-TSSOP, který se používá pro aplikace, kde je potřeba kompaktní velikost. Mezi další balíčky patří 40-QFN, který dále zmenšuje velikost zařízení bez snížení výkonu.
Je zajímavé, že mnoho z těchto zařízení je navrženo pro povrchovou montáž, takže je lze snadno integrovat do kompaktních systémů, jako jsou nositelná lékařská zařízení nebo bezdrátové senzorové systémy.
Budoucnost analogových předních obvodů
Vzhledem k tomu, že poptávka po senzorových systémech a elektronických zařízeních neustále roste, poroste i potřeba analogových předních obvodů schopných efektivně zpracovávat tyto signály. Očekává se, že s pokrokem technologie se AFE budou nadále vyvíjet, nabízet vyšší přesnost, nižší spotřebu energie a větší možnosti integrace do vestavěných systémů.
Ať už v lékařských systémech nebo průmyslových aplikacích, analogové front-endové obvody budou i nadále nezbytnou součástí toho, jak interagujeme s reálným světem prostřednictvím dat. Vzhledem k tomu, že se stále více objevují technologie, jako je internet věcí (IoT), poptávka po AFE, které mohou pracovat v drsných prostředích s velkou spolehlivostí, jen poroste.
Analogové front-end obvody jsou klíčovými součástmi při převodu fyzických signálů na data, která lze zpracovat digitálně. Ať už v aplikacích lékařských senzorů nebo průmyslových systémech, AFE poskytují zásadní spojení mezi analogovým a digitálním světem. Díky svým schopnostem zesílení, filtrování a převodu umožňují tyto obvody konvertovat a přenášet signály s velkou přesností. Proto by jeho používání a vývoj byly i nadále zásadní v celé řadě technologických odvětví.