信号链在现代电子系统中扮演着至关重要的角色，它由放大器、数据转换器、接口、时钟及定时器等多个组件构成。其目标是通过对实时信息的采集与处理，实现数据获取或系统控制。在当今汽车电子、工业和服务器飞速发展的背景下，如何在高噪声、高精度要求的复杂环境下构建稳健的信号链设计，已成为设计工程师面临的挑战。
早在 2007 年，德州仪器 (TI) 的信号链就开始在《Electronic Design News (EDN)》杂志上推出了 “信号链基础知识”（Signal Chain Basics）系列文章，深入剖析了模拟信号链的工作原理。我们精心从中选出了 10 篇文章，穿透复杂的电路图，从基础架构出发，逐步深入，结合当下高性能设计和系统级优化的需求，带您从理论到实战，更全面地掌握信号链设计的要领。
引言
在系统设计中，收集力、压力、光、温度、应变和电流等物理现象的信息具有极高的价值。传感器能够将物理现象的变化转换为可测量的量，如电压、电流和电阻。不过，这些信号通常需要在数字化之前进行信号调节。
信号调节一般由运算放大器 (op amps)、仪表放大器 (IAs)、可编程增益放大器、差分放大器 (DAs) 和 / 或应用特定标准产品来完成。而数字化则通过独立或集成到微控制器 (MCU) 中的模数转换器 (ADC) 来实现。完成数字化后，MCU（或有时是微处理器）就能快速处理数据并作出响应。
传感器选择
尽管需要量化的物理现象种类繁多，但通常每种物理现象都对应多种可选的传感器。以温度测量为例，温度可以通过热电偶、电阻温度检测器 (RTDs)、热敏电阻或专用集成电路 (ICs) 来测量。传感器的选择标准取决于终端系统在成本、性能和易用性之间的权衡。
传感器通常输出电压、电流或电阻变化。例如，热电偶会根据温度产生电压变化；光电探测器通常会产生与光强度成正比的微小电流；而 RTDs 和应变计则分别根据温度和力而产生电阻变化。
惠斯通电桥
惠斯通电桥是一种广泛应用的电路配置，常用于检测电阻的微小变化。因此，它经常与电阻式传感器（如应变计）配合使用。
四电阻惠斯通电桥电路可以被视为两个并联的电阻分压器电路（图 2）。这两个电阻分压器 (Voutp–Voutn) 之间的电位差分信号 (Vout) 与电桥中的不平衡程度成正比。如果电桥中的所有电阻值相等，则电桥处于平衡状态，且 Vout = 0 V。在惠斯通电桥中，用可变电阻传感器代替一个或多个电阻器时，可产生与被检测物理量（例如力或应变）成正比的差分信号。
图 2 用于直流电压激励的惠斯通电桥电路，由两个并联的电阻分压器电路组成。
惠斯通电桥有四种常见配置：四分之一桥（一个电阻式传感器），半桥（两个电阻式传感器，位于相同或相对的支路）以及全桥（四个电阻式传感器）。此外，还存在其他电桥配置，包括与接地端或电源端串联额外电阻器的形式。
为电桥供电主要有三种方法：直流电压激励、直流电流激励和交流电压激励。图 2 中的电压电源 (VE) 表示直流电压激励，而图 3 中的电流源 (IE) 表示直流电流激励。
图 3 采用直流电流激励的惠斯通电桥电路。
在工业应用中，当电阻传感器距离激励电压较远时，导线上的压降会降低电桥电压，从而降低灵敏度。使用运算放大器和额外的电阻器构建反馈控制环路，以补偿导线上的压降，可以设定一个已知的电桥电流（从而确定电桥电压）。
，交流电压激励（有时称为斩波）可以帮助抵消电桥中的偏移误差。其原理是周期性地反转电桥两端的电压极性，使由电桥传感器引起的任何偏移误差在前半周期中添加到 VOUT 中，在后半周期中从 VOUT 中减去。对整个周期内的 Vout 取平均值，可以有效抵消偏移误差。图 4 展示了这种方法。
图 4 采用交流电压激励的惠斯通电桥电路。
虽然理论上交流电压激励可行，但这种激励方式的离散实现并不简单。因此，更常见的是使用集成了交流激励的 ADCs。
校准是一种相对常见的技术，用于消除与电桥测量相关的误差。校准方案的复杂程度取决于系统的预期精度。单点校准和两点校准为常见，其中单点校准用于消除偏移误差，两点校准则用于校正增益误差。图 5 展示了这一概念。通常在软件中执行校准。
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图 5 该图突出了单点校准（上）和两点校准（下）。
信号调节
将传感器接入上述电桥电路之一后，需要对其产生的微小电压进行放大，以便在数字化时获得尽可能高的分辨率或动态范围。电桥电压 Vout 是差分电压，其共模电压通常位于中级电源 (VE/2) 附近。同时，还需要注意的是，电桥具有电阻性，因此建议使用具有高输入阻抗的信号调节电路。
用于信号调节的一个直接选择是 DA，如图 6 所示，因为它可以接收差分信号并输出单端信号。此外，由于其集成且经过修调的电阻器网络，DAs 具有良好的直流共模抑制比。
图 6 带有 DA 的电桥电路。
使用 DA 与惠斯通电桥连接的主要缺点在于 DAs 具有电阻输入阻抗，通常为数十至数百千欧姆。这种电阻会在电桥的每个桥臂上产生额外的分压，从而造成误差。
另一方面，IAs 具有非常高的输入阻抗 (GHz Ω)，可接受差分输入并输出单端信号。与增益固定的 DAs 不同， IA 的增益可以通过增益设定电阻 RG 进行调节。图 7 展示了使用 IA 放大电桥电压的方式。
图 7 带有 IA 的电桥电路。
由于边界图限定了器件的线性工作区域，使用 IAs 设计电路可能较为复杂。该区域取决于 IA 内部所用运算放大器的输入共模和输出摆幅限制。当输入共模电压约为 2.9V 时，IA 的输出摆幅达到。在本示例中，选择电桥激励电压，使 Vout 共模电压为 2.9V，可以化 IA 的输出摆幅，从而提高输入到 ADC 的信号动态范围。为了简化基于 IAs 的设计，可以使用模拟工程师计算器中提供的边界图工具。
进行同步设计决策
惠斯通电桥通常与传感器配合使用，用于检测自然界中物理现象的变化。集成放大器（如 IAs 和 DAs）会对来自传感器的信号进行调节，以便进行数字化处理。
在选择和实现信号调节电路及放大器时需要谨慎。诸如惠斯通电桥拓扑、激励方法、校准以及放大器选型等决策需要同时进行。
在实际的信号链设计过程中，工程师们还需要考虑到更多的因素。例如，不同类型的传感器在不同环境下的稳定性和可靠性，以及信号调节电路和放大器在长期使用过程中的性能变化等。此外，随着技术的不断发展，新的传感器和信号处理技术也在不断涌现，这为信号链设计带来了更多的可能性和挑战。
同时，在系统级的设计中，还需要考虑信号链与其他部分的兼容性和协同工作能力。例如，信号链与微控制器或微处理器之间的通信接口和数据传输速率，以及与电源管理模块之间的功耗协调等。只有综合考虑这些因素，才能设计出更加稳健、高效的信号链系统，满足不同应用场景的需求。
