在当今的电子技术领域，信号链的设计与应用愈发重要。信号链由放大器、数据转换器、接口、时钟及定时器等多个部件组成，其主要目的是实现实时信息的采集与处理，以达成数据获取或系统控制的目标。随着汽车电子、工业和服务器等行业的迅猛发展，设计工程师在高噪声、高精度要求的复杂环境下构建稳定可靠的信号链面临着巨大挑战。
早在 2007 年，德州仪器（TI）的信号链就开始在《Electronic Design News (EDN)》杂志上发表 “信号链基础知识”（Signal Chain Basics）系列文章，深入解析模拟信号链的工作原理。如今，我们精选其中 10 篇文章，透过复杂的电路图，从基础架构入手，逐步深入探讨，结合当下高性能设计和系统级优化的需求，助力大家从理论到实践，全面掌握信号链设计的要点。
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至关重要。传感器能够将这些物理现象的变化转化为可测量的量，如电压、电流和电阻，但在数字化之前，通常需要进行信号调节。信号调节一般由运算放大器、仪表放大器、可编程增益放大器、差分放大器和 / 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做出响应。
图 1 是该信号链的简化框图。不过，在实际应用中，一些传感器可能可直接与集成了信号调节功能的 ADCs 相连，如图中虚线箭头所示。并且，典型信号链的另一半还包括数模转换器（DAC）、额外的信号调节，以及用于完成关闭阀门、发出警报或开启电机等操作的执行器。
在传感器的选择方面，尽管需要量化的物理现象多种多样，但通常每种物理现象都有多种传感器可供选择。例如，温度的测量可通过热电偶、电阻温度检测器（RTDs）、热敏电阻或专用集成电路（ICs）来实现。传感器的选择标准主要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，比如热电偶会依据温度产生电压变化，光电探测器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产生电阻变化。
惠斯通电桥是一种广泛应用的电路配置，能够检测电阻的微小变化，因此常与电阻式传感器（如应变计）配合使用。四电阻惠斯通电桥电路可看作两个并联的电阻分压器电路（图 2），这两个电阻分压器之间的电位差分信号与电桥中的不平衡程度成正比。若电桥中的所有电阻值相等，则电桥处于平衡状态，输出电压为 0 V。当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（如力或应变）成正比的差分信号。
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），此外还有与接地端或电源端串联额外电阻器的其他形式。为电桥供电主要有直流电压激励、直流电流激励和交流电压激励三种方法。
图 2 中的电压电源表示直流电压激励，而图 3 中的电流源表示直流电流激励。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，进而降低灵敏度。此时可使用运算放大器和额外的电阻器构建反馈控制环路来补偿导线上的压降，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）则可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输出电压中，在后半周期中从输出电压中减去，对整个周期内的输出电压取平均值，就能有效抵消偏移误差，图 4 展示了这种方法。虽然理论上可行，但这种激励方式的离散实现并不容易，因此更常见的是使用集成了交流激励的 ADCs。
校准是消除与电桥测量相关误差的常见技术，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，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。
将传感器接入电桥电路后，需对其产生的微小电压进行放大，以在数字化时获得尽可能高的分辨率或动态范围。电桥电压是差分电压，其共模电压通常位于中级电源附近，同时由于电桥具有电阻性，建议使用高输入阻抗的信号调节电路。
用于信号调节的直接选择之一是差分放大器（DA），如图 6 所示，它可接收差分信号并输出单端信号，且由于其集成且经过修调的电阻器网络，具有良好的直流共模抑制比。然而，使用 DA 与惠斯通电桥连接的主要缺点是 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。
相比之下，仪表放大器（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，且其增益可以通过增益设定电阻进行调节，图 7 展示了使用 IA 放大电桥电压的方式。但使用 IAs 设计电路可能较为复杂，因为边界图限定了器件的线性工作区域，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输出电压共模电压为 2.9V，可化 IA 的输出摆幅，从而提高输入到 ADC 的信号动态范围。为简化基于 IAs 的设计，可使用模拟工程师计算器中提供的边界图工具。
