作者: 德州儀器 Gavin Bakshi27
經典的類比訊號鏈，是由「輸入」、「處理」和「輸出」所組成。「輸入」由類比轉數位轉換器 (ADC) 或比較器接收，內建控制軟體的微控制器 (MCU) 則負責「處理」，最後是數位類比轉換器 (DAC) 或脈衝寬度調變 (PWM) 產生類比「輸出」。
本文將介紹一種新型設備：智慧類比前端（AFE），能將整個類比控制迴路整合到單一裝置，提供像是 I2C 、 SPI 或直接輸入輸出 (介面的標準協議)，用於配置設定並控制類比前端。
智慧類比前端無需負擔額外的開發、維護和認證，就能做到感測、處理和控制。除了能在斷電時高阻抗輸出，智慧類比前端也能將通道配置為類比轉數位轉換器（ADC）輸入或數位類比轉換器（DAC）輸出，具有支持查找表引用和閉合迴路控制的可編程邏輯，從而有助於簡化設計。
圖 1 為德州儀器 AFE539A4 智慧類比前端的方塊圖，包括多個介面（I2C、串行外設介面和通用輸入/輸出 [GPIO]）； 非揮發性記憶體（NVM）； 類比轉數位轉換器（ADC）和比較器輸入的控制邏輯，以及電壓和電流輸出的數位類比轉換器（DAC）和脈衝寬度調變（PWM）輸出。類比前端在 3 毫米 x 3 毫米的封裝中包含所有這些功能。
圖 1 ：AFE539A4 智慧類比前端的功能方塊圖
閉合迴路控制
作為閉合迴路控制的單晶片選項，智慧類比前端在熱電致冷器（TEC）、多斜率熱折返和電磁閥控制等相關應用表現良好。在增加可互換的 DAC/ADC 通道並納入非揮發性記憶體（NVM）之後，智慧類比前端可以為各種系統提供感測輸入、判讀、以及有控制的類比輸出。如圖 2 所示的熱電致冷器（TEC）控制迴路，用於雷射二極管冷卻（laser diode cooling）、可攜式製冷和電子元件冷卻。比例積分 (PI) 控制迴路能幫助熱電致冷器（TEC）元件維持穩定溫度，透過 H 橋驅動器的脈衝寬度調變（PWM）或升壓轉換器的連續輸出，從 6 V 驅動到 12 V。
智慧類比前端可以驅動數位針腳的 PWM 輸出或 DAC 的電壓輸出。電壓輸出還可以調整升壓轉換器的輸出。另外，電流感測放大器監控熱電致冷器（TEC）電流。智慧類比前端整合了所有這些功能，並藉著選擇適合的驅動程式，持續與所有熱電致冷器 TEC 元件介面保持要素法（building-block approach）。 PI 控制提供了配置設定點、比例和積分增益以及電流限制的選項。
圖 2：智慧類比前端作為閉合迴路的半導體製冷控制器
電磁閥控制與熱電致冷器（TEC）控制類似，然而除了 PI 控制之外，電磁閥控制還需要如圖 4 所示的峰值保持（peak-and-hold）控制。保持模式涉及 PI 控制方式。智慧類比前端的 PWM 輸出，對電磁閥驅動器來說則是輸入，用於提高效率和診斷檢查。更多詳細訊息可參考以下圖 3。智慧類比前端透過 GPIO 輸入來啟動和停止峰值保持控制。
圖 3：使用智慧類比前端進行電磁閥控制
圖 4：峰值保持控制
故障管理
智慧類比前端支持基於查找表的感測和控制功能，用於多斜率熱折返、隨溫度轉變的偏壓和故障管理。例如多坡度熱折返會用在汽車尾燈，同時提供效能和熱保護。多區段可編程且基於斜率的輸出控制方式，則提供不同溫度下一致的光束流通量輸出，當溫度接近安全運轉限制時降低 LED 電流，如圖 5 和圖 6 所示。
圖 5：智慧類比前端熱折返電路
圖 6：多斜率熱折返曲線 LED 溫度 vs. LED 電流
產生任意波形
針對測試、汽車和通訊應用中的某些設計，智慧類比前端可以帶來的另一個好處就是產生任意波形。透過智慧類比前端編程，有可能可以產出許多自定波形（例如鋸齒波、三角波或方波）並調整其頻率。此外，智慧類比前端可以依據輸入進行直流或頻率的調整，基於感測輸入改變，動態回應波型。
結論
德州儀器的智慧類比前端系列，為閉合迴路控制提供了單一裝置的解決方案。智慧類比前端將整個訊號鏈的全部功能整合到單一裝置，並提供 ADC 輸入、NVM、DAC 和 PWM 輸出，以及多種介面選擇。
更多資源
- 觀看搭配本文的行銷影片 “What is a smart AFE?” 更進一步了解德州儀器的 智慧類比前端。
- 如需更近一步了解類似科技，請閱讀我們的科技文章，“What is a smart DAC?”
