摘要：自上而下以模塊化、單元化、定制化等方式設(shè)計(jì)低功耗高頻小信號(hào)采集方法。低功耗高頻小信號(hào)在不同工況下的顯性特征，通過(guò)已有的計(jì)算公式來(lái)制定適用于信號(hào)接收后進(jìn)行放大，隨后設(shè)計(jì)濾波器中濾波的電路參數(shù)，綜合考慮性能與價(jià)格等因素，選用合理的放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等各項(xiàng)硬件，將電路繪制成PCB圖像來(lái)提取其中的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)電路CAE軟件在CPU上模擬低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)電路的性能，通過(guò)此電路設(shè)計(jì)研究在設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)一步提速，為低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展提供一種適用于工業(yè)工程的解決方案。

關(guān)鍵詞：小信號(hào)；電路設(shè)計(jì)；仿真；PCB

一、前言

低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)從概念上講是將機(jī)械振動(dòng)、光、電等各種特征上帶有低功耗高頻等特點(diǎn)的小信號(hào)進(jìn)行采集，并加以分析和處理的技術(shù)，在各種不同領(lǐng)域均涉及與應(yīng)用。例如，航天科技、醫(yī)療科技等[1]。低功耗高頻小信號(hào)具有頻率及幅值較低、較弱，但噪聲分貝偏大等特點(diǎn)[2]，低功耗高頻小信號(hào)的采集難點(diǎn)綜合而言分為以下幾點(diǎn)：工作阻抗大、數(shù)據(jù)傳輸速度較快、頻率周期長(zhǎng)、共模抑制比高等[3]。隨著產(chǎn)業(yè)的升級(jí)與進(jìn)步，在現(xiàn)代電子科技工程領(lǐng)域中，小型信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的升級(jí)與進(jìn)步已經(jīng)變得越發(fā)重要[4]，在各類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)和使用中占據(jù)重要位置，而低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步則為相關(guān)行業(yè)的電子設(shè)備及其衍生的產(chǎn)品性能的設(shè)計(jì)升級(jí)，以及后期優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的保障。

低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)電路信號(hào)的發(fā)射源可能來(lái)自射電信號(hào)、微波發(fā)射器、信息收發(fā)器等各種信號(hào)發(fā)射或者接收源頭[5]。低功耗高頻小信號(hào)在不同工況下的顯性特征，通過(guò)已有的計(jì)算公式來(lái)制定適用于信號(hào)接收后進(jìn)行放大，隨后設(shè)計(jì)濾波器中濾波的電路參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行有效的分析處理及后續(xù)的使用[6]。信號(hào)放大器、濾波器和檢波器等組合件即是道具或工具，除此之外也可以利用該設(shè)備對(duì)噪聲和干擾進(jìn)行相關(guān)的抑制技術(shù)，如信號(hào)干擾器、信號(hào)屏蔽儀等[7]。但是在各科技領(lǐng)域發(fā)展的今天，通信、雷達(dá)甚至生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)τ诘凸母哳l小信號(hào)的需求呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，小型信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的升級(jí)與進(jìn)步已經(jīng)變得越發(fā)重要。在此背景下，低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)電路的進(jìn)步已經(jīng)不單單體現(xiàn)在對(duì)于電路性能要求上的提高，更進(jìn)一步地轉(zhuǎn)變?yōu)槟芎慕档?、尺寸縮小和成本預(yù)算減少。由此可見(jiàn)，隨著基于集成電路方面突破和微納米技術(shù)的不斷革新，在低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)電路中也享受到了技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的便利性和迅捷性[8]。另外，CAE軟件在低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，為低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)電路的研究和設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)，并以模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證、實(shí)踐，為更高的準(zhǔn)確度提供了可靠的保證。在通過(guò)電路仿真CAE軟件上，模擬低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)電路的性能，對(duì)設(shè)計(jì)的效率和成效可以提供更準(zhǔn)確的量化效果，可靠度不斷提高。CAE技術(shù)還可以在分析和優(yōu)化電路的過(guò)程中對(duì)于各種參數(shù)（電壓增益、帶寬、噪聲系數(shù)）等進(jìn)行更加直觀的設(shè)定和處理，從而更好地貼近實(shí)際工程應(yīng)用中的方案[9]。在我國(guó)，低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是正在攻克項(xiàng)目中的一項(xiàng)重要技術(shù)[10]，促使我國(guó)科技不斷革新和產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)、進(jìn)步。低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在未來(lái)發(fā)展中可以設(shè)計(jì)出更多的創(chuàng)新應(yīng)用工程，以此為各行業(yè)、各領(lǐng)域的進(jìn)步帶來(lái)更多的科技感與便利性[11]。

二、低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理圖

本文中所描述的低功耗高頻小信號(hào)放大與檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示，具體工作原理為機(jī)械振動(dòng)、光、電等各種特征上帶有低功耗高頻等特點(diǎn)的小信號(hào)由相關(guān)的傳感器進(jìn)行采集，并將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成為需要的電子信號(hào)，接口電路中電子信號(hào)通過(guò)電流I的形式流入設(shè)定好的電路檢測(cè)系統(tǒng)中，在靜電防護(hù)電路系統(tǒng)處理后，將原本的低壓信號(hào)增強(qiáng)為高頻高壓信號(hào)后進(jìn)行下一步流出，之后的電流信號(hào)流入系統(tǒng)儀表放大器，通過(guò)放大器進(jìn)行信號(hào)的加強(qiáng)與放大，此時(shí)的信號(hào)源沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何量化梳理，需要經(jīng)過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波處理，此時(shí)的信號(hào)源被儀器傳輸差分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣，同時(shí)進(jìn)行量化處理及編碼運(yùn)算，最終傳輸?shù)较嚓P(guān)的主控電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)接收設(shè)備得到最終需要的數(shù)據(jù)信號(hào)，即完成整個(gè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。

（二） 系統(tǒng)中的靜電防護(hù)電路設(shè)計(jì)

電荷發(fā)生移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象（ESD）是自身攜帶不同靜電電位的物體相互摩擦與接觸，而靜電電壓的數(shù)值通常是在零至幾千伏不等。電子產(chǎn)品在電量足夠?qū)嶋H使用的狀態(tài)下，電路不做ESD防護(hù)處理，其產(chǎn)生的靜電如果進(jìn)入電路內(nèi)部的電路板間，設(shè)備會(huì)因此而癱瘓失去效用。

本文介紹的通用靜電防護(hù)電路設(shè)計(jì)為USB Type-C接口設(shè)計(jì)。現(xiàn)在的USB Type-C接口主要用更加高端的USB3.0接口來(lái)替代傳統(tǒng)的2.0版本，加上LVDS、SATA等硬件總成在接口處的連接。在傳出信號(hào)的過(guò)程中，力求信號(hào)的損失率降到最低，保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)為了在傳輸過(guò)程中保證不出現(xiàn)失真現(xiàn)象，ESD防護(hù)處理的保護(hù)作用在此時(shí)就可以完好地保護(hù)元器件，該元器件的接口處電容值大約0.8pF，在低速或者高速小信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中能做到靜電的防護(hù)處理。本文中的ESD防護(hù)電路設(shè)計(jì)選擇最新款的TVS二極管TI芯片，該芯片的最大特點(diǎn)為等效電容小、漏電流最大值為10NA（其值極低），接觸放電和氣隙放電電壓為±15kV 的單路瞬態(tài)電壓抑制靜電放電保護(hù)二極管。與此同時(shí)，直流擊穿閾值電壓最低為6.5V，可以更好地做好靜電防護(hù)，經(jīng)測(cè)試，滿足設(shè)計(jì)需求。

（三）系統(tǒng)中的儀表放大器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中的儀表放大器選用三運(yùn)放型儀表放大器的電路結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。該三運(yùn)放型儀表放大器電路結(jié)構(gòu)有重要的特點(diǎn)，屬于兩級(jí)設(shè)計(jì)，第一級(jí)由A2的同向端和A1的反向端通過(guò)電阻RG連接組成，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)1+1大于2的效果，其優(yōu)勢(shì)在于可很大程度提高輸入阻抗值，實(shí)現(xiàn)新一級(jí)的效果增益，并且共模抑制比方面可以更大程度實(shí)現(xiàn)效果。第二級(jí)為運(yùn)放的A3，具有差分轉(zhuǎn)單端，額外增益的效果十分明顯，在后級(jí)的增益中實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化、強(qiáng)化，經(jīng)測(cè)試，滿足設(shè)計(jì)需求。

（四）系統(tǒng)中的濾波電路設(shè)計(jì)

本文介紹的濾波電路設(shè)計(jì)是一臺(tái)四個(gè)電阻加兩個(gè)電容為電路核心器件的壓控電壓源二階低通濾波器電路設(shè)計(jì)，其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其中最為特殊的是反饋電阻器，其特性是通過(guò)調(diào)節(jié)阻值的變化來(lái)達(dá)到增加電路傳輸速度和效率均能實(shí)現(xiàn)增益的效果，另外同相端的電阻器組成濾波網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)測(cè)試，滿足設(shè)計(jì)需求。

（五）系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)選用的是一款16位數(shù)差分模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其型號(hào)代碼為AD4001。該芯片的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率達(dá)到2msps（1s內(nèi)完成2萬(wàn)份數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換），單從數(shù)據(jù)可以顯示出其具有超高速度、超高精度等特性，同時(shí)在其本身特性中還包含單電源供電、低能耗等關(guān)鍵點(diǎn)。在此著重強(qiáng)調(diào)的是對(duì)于芯片AD4001而言，影響能量的功耗因素與其在工作狀態(tài)下的吞吐量數(shù)值息息相關(guān)。舉例設(shè)定芯片采樣頻率為10ksps的條件下，其工作消耗僅僅為80μW。當(dāng)芯片處于斷電狀態(tài)較長(zhǎng)時(shí)，可以通過(guò)外在可拆卸電池補(bǔ)充，第一次的系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換依然可以正常完成。該工作狀態(tài)下，最大的特點(diǎn)是差分模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片在輸入頻率范圍達(dá)到100kHz時(shí)，系統(tǒng)同樣支持在10kHz以下（即超低速率）狀態(tài)下能夠持續(xù)不間斷輸入低電流，系統(tǒng)中的總諧波失真（THD）性能更加突出。因此在系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中，微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中使用AD4001差分模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是最為合適的設(shè)計(jì)，該特性的使用可以進(jìn)一步降低差分模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片在其轉(zhuǎn)換速度較低狀態(tài)時(shí)的功耗。同時(shí)，為了進(jìn)一步優(yōu)化差分模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片功耗，在電路原始程序設(shè)計(jì)時(shí)候，模數(shù)轉(zhuǎn)換的阻抗模式被運(yùn)用起來(lái)，經(jīng)測(cè)試，滿足設(shè)計(jì)需求。

（六）主控電路設(shè)計(jì)

低功耗高頻小信號(hào)的數(shù)字化處理過(guò)程是在微型CPU中進(jìn)行的，本文涉及的低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)微型CPU在運(yùn)行過(guò)程中需要滿足多項(xiàng)要求才可催動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)作，主要的指標(biāo)要求為數(shù)據(jù)處理具有及時(shí)性，數(shù)據(jù)傳輸效率高，主板電路設(shè)計(jì)遵循簡(jiǎn)潔原則，電力供應(yīng)方面僅僅需要提供低功耗、小電壓、弱電流，具有極致的性價(jià)比。綜合上述要求并考慮市場(chǎng)價(jià)格，選定STM32F4 系列的單片機(jī)。在性能和動(dòng)能方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，是一款中高端的處理器終端設(shè)備。對(duì)比傳統(tǒng)的邏輯處理單元單片機(jī)設(shè)備FPGA和CPLD等，STM32F4系列單片機(jī)具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，其集成性強(qiáng)、性價(jià)比高、能量消耗低、及時(shí)性能好、界面動(dòng)態(tài)豐富等各方面的優(yōu)點(diǎn)對(duì)控制類(lèi)應(yīng)用方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，如本文所涉及和使用的的低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)嵌入式系統(tǒng)。

三、低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)電路仿真

電源電能和信號(hào)傳輸兩部分是影響檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的核心因素，運(yùn)用CAE仿真對(duì)PCB電路板設(shè)計(jì)中的電源通流情況進(jìn)行計(jì)算和模擬測(cè)試。電源分配系統(tǒng)中存在干擾參數(shù)（干擾電阻、干擾電感、干擾電容等），導(dǎo)致電路中的阻抗不為0。在系統(tǒng)芯片正常運(yùn)行時(shí)，工作I從電源輸出，會(huì)在芯片端形成一定數(shù)值的直流壓力差。本文設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)單為主，直流壓力差在過(guò)高的條件下，功能受損，芯片功能失效導(dǎo)致電路失效。與此同時(shí)，電流過(guò)載、溫度持續(xù)不斷升高也會(huì)影響芯片功能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生電路熔斷PCB 布線，造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。

本文在設(shè)計(jì)PCB 電路板的過(guò)程中，按照電源布線規(guī)則要求進(jìn)行布置，在電路中電源數(shù)量較多，所以對(duì)低功耗高頻小信號(hào)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，以此來(lái)測(cè)試是否滿足通流及壓降要求。通過(guò)對(duì)低功耗高頻小信號(hào)電路的分析，設(shè)計(jì)出制作接收小信號(hào)處理的有效方法，解決了制作高頻低功耗小信號(hào)放大器過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的無(wú)規(guī)律震蕩問(wèn)題，同時(shí)解決頻率無(wú)序化狀態(tài)，以及電路中各個(gè)阻抗之間存在的不兼容問(wèn)題，圖4試驗(yàn)仿真結(jié)果及圖5交流低功耗高頻小信號(hào)分析仿真結(jié)果顯示滿足設(shè)計(jì)需求。

四、結(jié)語(yǔ)

今后，低功耗高頻小信號(hào)探測(cè)技術(shù)將隨著技術(shù)的革新而不斷進(jìn)步和完善，以人工智能AI為基礎(chǔ)推出的智能算法新型傳感器技術(shù)不斷更新迭代，低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在此基礎(chǔ)上對(duì)微弱信號(hào)的捕捉會(huì)更精確、解析更準(zhǔn)確，給通信、雷達(dá)甚至生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)更多的創(chuàng)造性。與此同時(shí)，警惕低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在某些技術(shù)層面的挑戰(zhàn)，在各種數(shù)據(jù)的保密性和信息傳播的安全性等方面不斷在創(chuàng)新中尋求突破并解決相關(guān)問(wèn)題。本文描述的低功耗高頻小信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)和實(shí)施的CAE計(jì)算方案，經(jīng)過(guò)實(shí)踐可以廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)甚至生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域微弱信號(hào)檢測(cè)，經(jīng)測(cè)試，滿足設(shè)計(jì)需求。

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作者單位：南京郵電大學(xué)波特蘭學(xué)院

■ 責(zé)任編輯：王穎振、楊惠娟