經(jīng)典的模擬信號鏈包括輸入、處理和輸出。輸入由模數(shù)轉換器 (ADC) 或比較器接收。帶有控制軟件的微控制器 (MCU) 負責處理。最后，模擬輸出由數(shù)模轉換器 (DAC) 或脈寬調制 (PWM) 產(chǎn)生。

在本文中，我將介紹一種新型設備——智能模擬前端 (AFE)——它將整個模擬控制環(huán)路集成到單個設備中，提供 I2C、SPI 或直接 GPIO 接口等標準協(xié)議來配置和控制AFE。

智能 AFE 無需額外的開發(fā)、維護和認證負擔即可實現(xiàn)傳感、處理和控制。智能 AFE 可通過提供斷電期間的高阻抗輸出、將通道配置為 ADC 輸入或 DAC 輸出的能力以及支持查找表參考和閉環(huán)的可編程邏輯等特性來幫助簡化設計控制。

圖 1 顯示了 TI 的 AFE539A4 智能 AFE 的框圖，其中包括多個接口（I 2 C、串行外設接口和通用輸入/輸出 [GPIO]）；非易失性存儲器（NVM）；ADC 和比較器輸入的控制邏輯，以及電壓和電流輸出 DAC 和 PWM 輸出。AFE539A4 是一款 10 位四通道智能模擬前端 (AFE)。每個模擬通道可配置為數(shù)模轉換器 (DAC)、模數(shù)轉換器 (ADC) 或比較器。DAC 輸出可以是電壓和電流輸出。AFE539A4 支持高阻態(tài)斷電模式，并在斷電情況下支持高阻態(tài)輸出。DAC 輸出提供一個強制檢測選項，可用作可編程比較器和電流阱。該器件具有一個集成的狀態(tài)機，預編程為比例積分 (PI) 控制器。AFE539A4 非常適用于熱電制冷 (TEC) 控制、溫度控制和動態(tài)余量控制應用。AFE539A4 是智能 AFE 器件，因為它具有高級集成功能。多功能 GPIO、函數(shù)生成和 NVM 使這款智能 AFE 適用于無處理器的 應用和設計重復使用。

AFE 將所有這些功能都包含在一個 3 毫米乘 3 毫米的封裝中。

圖 1：AFE539A4 的功能框圖

閉環(huán)控制

作為閉環(huán)控制的單芯片選項，智能 AFE 在熱電冷卻 (TEC)、多斜率熱折返和電磁閥控制等應用中表現(xiàn)良好。通過添加可互換的 DAC/ADC 通道并包含 NVM，智能 AFE 可以為各種系統(tǒng)提供傳感輸入、解釋和受控模擬輸出。TEC 控制回路，如圖 2 所示，用于激光二極管冷卻、便攜式制冷和電子元件冷卻。比例積分 (PI) 控制回路有助于保持 TEC 元件的穩(wěn)定溫度，通過 H 橋驅動器的 PWM 或升壓轉換器的連續(xù)輸出將其從 6 V 驅動至 12 V。智能 AFE 可以驅動數(shù)字引腳的 PWM 輸出或 DAC 的電壓輸出。電壓輸出還可以縮放升壓轉換器的輸出。另外，電流檢測放大器監(jiān)控 TEC 電流。智能 AFE 集成了所有這些功能，同時通過選擇合適的驅動程序保持構建塊方法與任何 TEC 元件接口。PI 控制提供配置設定點、比例和積分增益以及電流限制的選項。

圖 2：用作閉環(huán) TEC 控制器的智能 AFE

電磁閥控制類似于 TEC 控制。然而，除了 PI 控制之外，電磁閥控制還需要峰值保持控制，如圖 4 所示。保持模式涉及 PI 控制方案。智能 AFE 的 PWM 輸出是電磁閥驅動器的輸入，用于提高效率和診斷。有關詳細信息，請參見下面的圖 3。智能 AFE 采用 GPIO 輸入來啟動和停止峰值保持控制。

圖 3：使用智能 AFE 進行電磁閥控制

圖 4：峰值保持控制

故障管理

智能 AFE 支持基于查找表的傳感和控制功能，用于多斜率熱折返、溫度相關偏置和故障管理。例如，多坡熱折返用于汽車尾燈，以提供性能和熱保護。多段可編程的基于斜率的輸出控制方案可在整個溫度范圍內提供一致的光通量輸出，從而在溫度接近安全工作限制時降低 LED 電流，如圖 5 和圖 6 所示。

圖 5：智能 AFE 多斜率熱折返電路

圖 6： 多斜率熱折返曲線 LED 溫度與 LED 電流的關系

任意波形生成

任意波形生成是智能 AFE 可以為測試、汽車和通信應用中的某些設計帶來的另一個好處?？梢詫χ悄?AFE 進行編程以產(chǎn)生許多自定義波形（例如鋸齒波、三角波或方波）并調整它們的頻率。此外，智能 AFE 可以根據(jù)感測輸入變化獲取輸入以動態(tài)調整任何波形的 DC 或頻率。

結論

TI 的智能 AFE 系列為閉環(huán)控制提供單器件解決方案。智能 AFE 將整個信號鏈的全部功能集成到一個設備中，提供 ADC 輸入、NVM、DAC 和 PWM 輸出，以及多種接口選擇。