從電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)看如何利用設(shè)計(jì)便利性資源簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室電路和參考設(shè)計(jì)克服設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

針對模擬、混合信號和射頻設(shè)計(jì)對于工程師來說通常具有較大挑戰(zhàn)的現(xiàn)狀，ADI創(chuàng)造性地從2008年開始推出“實(shí)驗(yàn)室電路概念：根據(jù)不同區(qū)域搜集的資源、客戶的意見、需求反饋，然后集合ADI內(nèi)部專家的技術(shù)能力和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出客戶需要的實(shí)用電路，并以詳盡的文字和圖片介紹電路設(shè)計(jì)的思路、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)建議以及測試結(jié)果，用于協(xié)助設(shè)計(jì)工程師應(yīng)對當(dāng)今的模擬、混合信號及RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，輕松快捷地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

電磁流量計(jì)的前端設(shè)計(jì)是典型的模擬和混合信號電路設(shè)計(jì)，通常會遇到以下這些挑戰(zhàn)：電磁流量計(jì)產(chǎn)品的最大測量范圍可能寬達(dá)1500:1，用于反映流速的范圍是0.01m/s至15m/s；系統(tǒng)電源、中央邏輯單元、通信和I/O之間需要隔離，隔離等級要求從1kV至2.5kV不等；便攜式電磁流量計(jì)要求超低功耗微控制器、放大器和ADC器件……設(shè)計(jì)工程師必須考慮許多不同的系統(tǒng)要求，包括精度、帶寬和電磁激勵(lì)頻率等, 才能設(shè)計(jì)出合理的電磁流量計(jì)系統(tǒng)。此外，工業(yè)現(xiàn)場的溫度環(huán)境非常復(fù)雜，有時(shí)甚至?xí)斐蓸O端惡劣的影響。EMC抗擾度(如ESD、EFT和浪涌等)也是電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)的重大挑戰(zhàn)。為了能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，低溫漂系數(shù)和低功耗對電磁流量計(jì)至關(guān)重要。此外，電磁流量計(jì)內(nèi)部的空間有限，系統(tǒng)密度很高，因而必須減小器件尺寸。

在小馬的項(xiàng)目中，他們充分借鑒了ADI的實(shí)驗(yàn)室電路高效率地克服了上述的技術(shù)挑戰(zhàn)。ADI提供的眾多實(shí)驗(yàn)室電路中，“適合過程控制應(yīng)用的完整高速、高共模抑制比(CMRR)精密模擬前端”和“利用單芯片電壓和電流輸出DAC AD5422及數(shù)字隔離器ADuM1401構(gòu)建16位全隔離輸出模塊”等五個(gè)實(shí)驗(yàn)室電路對小馬的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)提供了非常高的參考價(jià)值。

在常用電壓下，電磁流量計(jì)傳感器的輸出范圍可能小到只有數(shù)十微伏，輸出阻抗往往高于兆歐范圍，前端精密運(yùn)算放大器或儀表放大器要求超高輸入阻抗、極低漏電流和出色的共模抑制比。實(shí)驗(yàn)室電路“適合過程控制應(yīng)用的完整高速、高共模抑制比精密模擬前端”很好地幫助解決了模擬前端電路設(shè)計(jì)的這些挑戰(zhàn)。優(yōu)化的高性能模擬前端不僅能提供電磁流量計(jì)要求的高精度還提供了高共模抑制比。高精度、高輸入阻抗和高CMR由儀表放大器AD8226提供，AD8226可以提供小信號和大信號輸入所需的出色CMR性能。

圖2：優(yōu)化的高性能模擬前端實(shí)驗(yàn)室電路能提供電磁流量計(jì)要求的高精度和高共模抑制比。

圖3：基于AD5422及ADuM1401構(gòu)件的適合于電磁流量計(jì)的16位工業(yè)控制輸出模塊實(shí)驗(yàn)室電路。

由于小馬的團(tuán)隊(duì)采用了ADI公司的16位DAC AD5422，而在參考“利用單芯片電壓和電流輸出DAC AD5422及數(shù)字隔離器ADuM1401構(gòu)建16位全隔離輸出模塊”的實(shí)驗(yàn)室電路中，因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)室電路結(jié)合數(shù)字隔離器ADuM1401所實(shí)現(xiàn)的良好電路設(shè)計(jì)理念和綜合性能，讓他們在隔離器的選擇上放棄了之前一直采用的光隔離器件，第一次采用了ADI的iCoupler數(shù)字隔離器ADUM1401。在他們的電路中，ADuM1401不僅提供了微控制器與DAC之間所需的全部信號隔離，而且其自帶的隔離電源保證了隔離性能的同時(shí)，高集成度對于空間受限的電磁流量計(jì)也非常重要。該實(shí)驗(yàn)室電路還含有標(biāo)準(zhǔn)外部保護(hù)功能，且經(jīng)過測試和驗(yàn)證，完全符合IEC 61000標(biāo)準(zhǔn)。

事實(shí)上，每個(gè)產(chǎn)品的具體電路設(shè)計(jì)常常有不一樣的變化，在ADI的實(shí)驗(yàn)室電路中通常為可能遇到的不同參數(shù)要求、器件選型和器件搭配等各種變化預(yù)見性地提出了更具針對性的建議，大大提高實(shí)用性。此外，任何高速電路的性能都高度依賴于適當(dāng)?shù)腜CB布局，包括電源旁路、受控阻抗線路、元件布局、信號布線以及電源層和接地層，等等。ADI實(shí)驗(yàn)室電路通常提供了有關(guān)PCB布局詳情、相關(guān)參考教程、以及有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包（電路原理圖、PCB文件、BOM清單，等等）

ADI即將推出電磁流量計(jì)的完整系統(tǒng)級參考設(shè)計(jì)，如果采用此參考設(shè)計(jì)方案，他們的設(shè)計(jì)周期可以進(jìn)一步壓縮1/3甚至一半（該系列參考解決方案目前已經(jīng)可以向用戶提供包括全套電磁流量計(jì)的原理圖、詳細(xì)PCB文件等完整的設(shè)計(jì)文檔、相關(guān)的軟件模塊、測試測量資料以及BOM清單等資源）。事實(shí)上，ADI針對目前很多熱門應(yīng)用都提供融合ADI領(lǐng)先模擬、混合、RF以及數(shù)字技術(shù)的系統(tǒng)級參考設(shè)計(jì)解決方案。

小結(jié)：

在撰寫本文的時(shí)候，獲知ADI新近獲得國內(nèi)某知名媒體頒發(fā)的“杰出FAE支持”大獎。是的，除了全球技術(shù)領(lǐng)先的解決方案外，卓越的本地化技術(shù)支持一直是ADI強(qiáng)調(diào)的服務(wù)，因?yàn)锳DI長期服務(wù)中國本地設(shè)計(jì)工程師的過程中深刻認(rèn)識到與歐美國家不同的是，中國工程師相對年輕，他們渴望技術(shù)進(jìn)階以及從廠商那里得到更多的技術(shù)支持。

然而，當(dāng)前中國企業(yè)對半導(dǎo)體方案提供商的設(shè)計(jì)服務(wù)需求已不僅僅停留在提供先進(jìn)的解決方案以及更緊密有效的現(xiàn)場技術(shù)支持，提供設(shè)計(jì)各階段所需的設(shè)計(jì)工具套件、驗(yàn)證模型、評估板以及包括像參考設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室電路、應(yīng)用筆記這樣全面的工具和文檔支持已經(jīng)成為更多工程師和廠商的需求。也正是因?yàn)檫@樣，ADI去年升級其廣受歡迎的實(shí)驗(yàn)室電路以及在線樣片申請程序，不斷豐富實(shí)驗(yàn)室電路、應(yīng)用筆記、完整解決方案等設(shè)計(jì)資料，為年輕工程師提供全方位的線上線下技術(shù)支持。除現(xiàn)場應(yīng)用工程師外，ADI的亞洲技術(shù)支持中心的技術(shù)團(tuán)隊(duì)還會通過電話和郵件的形式處理、解答來自于客戶的各種技術(shù)問題，并提供設(shè)計(jì)參考信息。還開設(shè)了活躍度極高的ADI中文技術(shù)論壇。設(shè)計(jì)工程師如果能恰當(dāng)利用這些資源，將能加快其技術(shù)能力成長，克服設(shè)計(jì)過程中常常面臨的各種技術(shù)挑戰(zhàn)，進(jìn)而壓縮產(chǎn)品開發(fā)周期。