Analógové front-end obvody, tiež známe ako AFE, sú kľúčovými komponentmi v systémoch zberu údajov a iných typoch meracích aplikácií, ktoré vyžadujú konverziu analógových signálov na digitálne. Tieto AFE integrujú rôzne prvky, ako sú zosilňovače, filtre a analógovo-digitálne prevodníky (ADC), vďaka čomu sú užitočné v mnohých aplikáciách, od lekárskych prístrojov až po priemyselné senzorové systémy. Ďalej podrobne preskúmame, čo sú tieto AFE, ako fungujú a v akých aplikáciách sa zvyčajne používajú.
Ak poznáte elektronické meracie alebo senzorové systémy, budete vedieť, že jednou z hlavných funkcií AFE je upraviť signál prijatý zo senzorov predtým, ako sa prevedie na digitálny signál. Toto je obzvlášť dôležité pri práci so signálmi s nízkou amplitúdou, ktoré vyžadujú pred digitálnym spracovaním zosilnenie a filtrovanie. Bez týchto obvodov by výsledné informácie neboli presné ani užitočné.
Čo sú analógové predné obvody (AFE)?
AFE je sada blokov obvodov, ktoré spracovávajú analógové signály predtým, ako sa konvertujú na digitálne signály. Jednoducho povedané, AFE je akýmsi „mostom“ medzi analógovým svetom a digitálnym svetom. Jeho hlavnou funkciou je zachytávať signály „skutočného sveta“, ako je zvuk, teplota alebo svetlo, upravovať ich pomocou procesov, ako je filtrovanie alebo zosilňovanie, a potom ich konvertovať na digitálne signály, aby ich mohol spracovať mikroprocesor alebo vstavaný systém.
Bežným príkladom analógového predného obvodu je obvod, ktorý sa nachádza v lekárskych zobrazovacích systémoch, ako sú digitálne röntgenové detektory. V týchto typoch systémov musí AFE vykonávať niekoľko funkcií, ako je integrácia signálu, programovateľné zosilnenie zosilnenia a korelované vzorkovanie, to všetko pri zachovaní vysokej rýchlosti spracovania na spracovanie veľkého množstva generovaných údajov.
Spoločné charakteristiky AFE:
- Zahŕňajú zosilňovače s nastaviteľným ziskom (PGA), ktoré umožňujú úpravu sily signálu pred konverziou na digitálny.
- Integrujú filtre na elimináciu šumu alebo rušenia, ktoré by mohlo poškodiť meraný signál.
- Zvyčajne obsahujú ADC na vykonanie konečnej konverzie z analógového na digitálne.
Typické aplikácie AFE
AFE sú všestranné komponenty, ktoré sa používajú v mnohých priemyselných odvetviach. Od systémov na získavanie údajov v medicíne až po aplikácie v energetickom priemysle sú analógové front-end obvody rozhodujúce pre zabezpečenie efektívnej konverzie a spracovania analógových signálov. Ďalej preskúmame niektoré z jeho najbežnejších aplikácií.
Relé ochrany a merania energie
V energetickom sektore hrajú AFE zásadnú úlohu pri ochrane elektrických systémov. Napríklad v ochranných relé, čo sú zariadenia, ktoré monitorujú a chránia systémy pred poruchami, sú AFE zodpovedné za presné meranie prúdu a napätia. Tieto AFE sú navrhnuté tak, aby boli extrémne presné, umožňujúce detekovať aj tie najmenšie odchýlky v energetických systémoch, čím sa zabráni katastrofickým škodám.
Texas Instruments, jeden z popredných výrobcov AFE, vyvinul špecifické riešenia na implementáciu týchto ochranných relé založených na AFE. Funkcie, ktoré ponúkajú tieto AFE, zahŕňajú simultánne a koherentné vzorkovanie, ktoré je nevyhnutné pre presné zachytenie signálu v elektrických systémoch s vysokým dopytom.
AFE v indukčných snímačoch
Ďalšie typické použitie AFE je v indukčných snímačoch, ktoré sa používajú na meranie blízkosti kovových predmetov alebo iných fyzikálnych parametrov, ako je pohyb alebo sklon. AFE pre indukčné snímače umožňujú detekciu zmien magnetických polí bez rušenia magnetmi a sú schopné prevádzky v náročných podmienkach, ako je špinavé alebo prašné prostredie. Tieto AFE sa zvyčajne nachádzajú v širokej škále zariadení, od domácich spotrebičov, ako sú vysávače, až po elektronické nástroje a priemyselné roboty.
Medzi výhody týchto AFE patrí ich schopnosť pracovať v náročných podmienkach, ako aj ich jednoduchá integrácia s inými elektronickými systémami. V mnohých prípadoch AFE riešenia pre indukčné snímače zahŕňajú špeciálne zariadenia, ako je LDC0851, ktoré zjednodušujú indukčné spínanie.
AFE v lekárskej diagnostike
V lekárskej oblasti majú AFE tiež širokú škálu aplikácií. Jeden z najrelevantnejších príkladov je v digitálnych röntgenových systémoch, kde sa AFE používajú na spracovanie signálov prijímaných plochými detektorovými panelmi. Tieto AFE, okrem integrácie programovateľných zosilňovačov zosilnenia, obsahujú integrátory a ADC, ktoré umožňujú presné meranie úrovní žiarenia.
Tieto vysoko presné medicínske AFE systémy umožňujú jemné doladenie časov skenovania a ponúkajú rôzne možnosti rozsahu záťaže, čo je nevyhnutné na prispôsobenie sa rôznym typom testov, či už statických, semidynamických alebo dynamických. To značne uľahčuje prácu zdravotníkom, pretože si môžu upraviť parametre podľa svojich špecifických potrieb.
Výhody lekárskych AFE:
- Integrácia viacerých funkcií v jednom balíku, šetrí miesto a znižuje zložitosť dizajnu.
- Vysoká presnosť pri meraní malých signálov, ako sú signály zachytené na röntgenových snímkach.
- Možnosť robiť kompromisy medzi výkonom a spotrebou energie v závislosti od typu aplikácie.
Rozmanitosť balíkov a architektúr
Jednou z veľkých výhod AFE je rozmanitosť balíkov a architektúr, ktoré môžu prijať. V závislosti od typu aplikácie sa AFE môžu pohybovať od jednoduchých trojkanálových 8-bitových systémov až po zložitejšie konfigurácie vrátane 16 kanálov a 14 bitov. Typ balíka, ako je TQFP, SOIC alebo QFN, zvyčajne závisí od typu priestoru a tepelného rozptylu požadovaného v návrhu.
Príklady bežných zapuzdrení
Príkladom balenia používaného v AFE je 80-TQFP, ktorý je bežný v systémoch, ktoré potrebujú spracovať viacero kanálov pri miernom výkone. K dispozícii je tiež 28-TSSOP, ktorý sa používa pre aplikácie, kde je potrebná kompaktná veľkosť. Medzi ďalšie balíky patrí 40-QFN, ktorý ďalej znižuje veľkosť zariadenia bez zníženia výkonu.
Je zaujímavé, že mnohé z týchto zariadení sú navrhnuté na povrchovú montáž, čo uľahčuje ich integráciu do kompaktných systémov, ako sú nositeľné lekárske zariadenia alebo bezdrôtové senzorové systémy.
Budúcnosť analógových front-end obvodov
Keďže dopyt po senzorových systémoch a elektronických zariadeniach neustále rastie, porastie aj potreba analógových predradených obvodov schopných efektívne spracovať tieto signály. S napredovaním technológie sa očakáva, že AFE sa budú naďalej vyvíjať a ponúkajú vyššiu presnosť, nižšiu spotrebu energie a väčšie možnosti integrácie do vstavaných systémov.
Či už ide o medicínske systémy alebo priemyselné aplikácie, analógové front-end obvody budú aj naďalej podstatnou súčasťou toho, ako komunikujeme so skutočným svetom prostredníctvom údajov. S čoraz viac sa objavujúcimi technológiami, ako je internet vecí (IoT), dopyt po AFE, ktoré dokážu pracovať v drsnom prostredí s veľkou spoľahlivosťou, bude len stúpať.
Analógové front-end obvody sú kľúčovými prvkami pri konverzii fyzických signálov na dáta, ktoré možno spracovať digitálne. Či už ide o medicínske senzorové aplikácie alebo priemyselné systémy, AFE poskytujú dôležité spojenie medzi analógovým a digitálnym svetom. Vďaka svojim schopnostiam zosilnenia, filtrovania a konverzie umožňujú tieto obvody konvertovať a prenášať signály s veľkou presnosťou. Preto by jeho používanie a vývoj boli naďalej nevyhnutné v širokom spektre technologických odvetví.