我们使用数量和种类日益增多的传感器来监测周围的物理环境。这些传感器产生的信号通常振幅较低且噪声较大。它们往往缺乏线性关系，并且在大多数情况下，必须将其从现实世界的模拟形式转换为适合计算机系统使用的数字值。每个负责清理和转换这些原始测量数据的信号链，都充当着传感器和计算或处理资源之间的桥梁，在日益增长的数据需求中发挥着至关重要的作用。.
信号链的共同特征
一般来说，信号链由一系列关键元件组成。具体来说：传感器（或采集数据的硬件）、信号放大和滤波，最后是模数转换器（ADC），它对处理后的信号进行采样和数字化，以便进行进一步处理或存储。.
可能需要一个或多个放大级，例如跨导放大器 (TIA) 后接电压增益放大器。此外，可能还需要多个滤波器来隔离给定频率范围内的信号、对高频信号进行防重叠处理，以及消除特定频率的干扰信号（例如交流电源干扰）。根据传感器输出，在滤波前放大信号可能更有利，因为任何噪声也会被放大。或者，也可以先进行滤波。.
对于滤波放大后的信号，逐次逼近寄存器 (SAR) 或 Σ-Δ 型模数转换器 (ADC) 可能是最合适的数字化解决方案。SAR ADC 的延迟通常比 Σ-Δ 型器件更低，但其最大采样率通常也较低。Σ-Δ 型 ADC 的优势在于其高分辨率和高能效，并且通常还集成了其他功能（例如滤波器、多路复用器或输入缓冲器）。.
图 1：信号链的基本组成部分。.
工业温度监测案例
温度被认为是物理世界中最常见的监测元素。热电偶可以检测工业环境中的极高温度，但其输出电压很小（通常只有几毫伏）。信号链的各个组成部分（如图2所示）必须确保放大器具有高增益、低噪声和低漂移。.
为了进行冷端补偿 (CUF)，必须监测参考温度，使仪器能够产生与热电偶探头检测到的温度相对应的输出电压。CUF 通常使用电阻温度检测器 (RTD) 或硅基温度传感器来实现。RTD 需要激励电压，该电压必须由信号链设计提供。.
热电偶、热电阻和热敏电阻都存在非均匀线性度的问题，必须在信号链中进行校正。对于热电偶，给定温度变化引起的输出电压变化由塞贝克系数决定。然而，该系数在热电偶的工作温度范围内并非恒定不变，因此最好选择在预期工作温度范围内提供尽可能最佳线性响应的类型。设计工程师可以参考IPC分类标准，该标准对不同类型热电偶的特性进行了标准化。例如，IPC S型热电偶的有效温度范围约为0°C至1500°C，并在约900°C至1250°C范围内具有良好的线性度。美国国家标准与技术研究院（NIST）等机构发布的标准热电偶类型参考表允许进行数字线性度校正，从而避免在信号链内部进行线性度校正的复杂性。.
图 2：热电偶信号链示例。.
热电偶的每个物理电连接都会不可避免地产生一个额外的热结，因此必须确保除温度传感探头和冷结之外的所有连接都处于同一温度。.
医疗或身体状况监测案例
人们日益增长的自我量化需求以及对更快捷、更经济的医疗保健模式的需求，推动了对更简便的生物指标（例如体温、血氧饱和度和心率）检测系统的需求，无论是临床级仪器还是面向消费者的设备（例如健身追踪器）。与需要大量信号处理的热敏电阻和RTD温度传感器相比，硅基温度传感器具有更高的线性度、稳定性和易用性。虽然其温度范围较窄（55°C至150°C），但对于使用医疗设备监测体温而言已绰绰有余。.
MAX30208 ， 专为简单、无创的体温测量而优化。温度测量点位于传感器顶部，便于贴附于皮肤，且受自发热问题（由于电源电流通过 IC 引脚输入）的影响最小。其安装设计针对柔性印刷电路板进行了优化，可将其放置在远离主机处理器的位置。I²C 接口支持多个传感器菊花链连接，从而从身体的不同部位获取数据，实现最佳测量精度。MAX30208 的体温测量精度为 ±0.1 °C，并集成了信号链电路和 32 位 FIFO，方便与主机处理器交互。
在心脏活动监测方面，传统的临床级监测设备依赖于放置在身体各处的各种传感器采集的心电图（ECG）信号。近年来，光电容积脉搏波描记法（PPG）检测技术发展迅速，能够利用小型、无创的可穿戴设备（例如健身追踪器或指尖脉搏血氧仪）提供可接受的精度。PPG检测的工作原理是向人体组织发射光信号，并测量反射或透射的信号。它可以量化血容量的微小变化，从而计算各项指标（包括血氧饱和度、心率和呼吸频率）。此外，它还能帮助人们了解组织健康状况和器官功能。.
光电容积脉搏波描记法（PPG）仪器的光学传感器产生的电压信号包含一个直流分量，该分量与血容量以及骨骼和组织的光学特性相关；此外，还包含一个交流分量，该分量由心跳引起的血容量变化产生。信号中还存在一些由活动（例如呼吸）产生的较小信号。.
可穿戴式心率监测器的信号链设计始于发射器，它可以是绿色LED，也可以是红色和红外LED的组合。光源的波长和强度决定了接收信号的穿透深度和强度，并且可以进行调整以获得最佳精度。此外，LED驱动器会给发射信号引入噪声，因此功耗也必须考虑在内。.
接收信号链必须对光电探测器的输出进行采样，并处理环境光消除、滤波和模数转换。光电探测器的输出是一个电流信号，其幅度范围从小于 1 nA 到数十 µA。需要一个 TIA（变压器模拟接口）将电流信号转换为电压信号，信号链设计必须考虑信号动态范围、信噪比 (SNR)、电路板利用率以及与防重叠滤波器和 TIA 等组件相关的功耗等因素。幸运的是，面向消费者的心率监测器市场规模庞大且不断增长，这使得工程师可以选择集成模拟前端 (AFE)，例如德州仪器 (TI) 的AFE4405或 Maxim 的MAX30112 ，它们都在各自的单芯片解决方案中集成了 LED 驱动器和完整的光电探测器信号链。这些器件提供了一种合适的机制，可以利用 Σ-Δ ADC 来克服光电二极管电流控制、滤波、存储、放大和转换等挑战。
图像采集与处理案例研究
诸如人体心率和工业过程温度等参数相对简单稳定，对信号链的速度和采样率要求不高。MAX30112 支持高达 3.2 kSPS 的采样率，足以满足脉搏血氧饱和度监测或心率监测等应用的需求。而图像检测或工业机器视觉等应用对信号速度和采样率的要求更高，需要特别关注。.
简单的成像系统，例如用于材料检测或分析的近红外光谱仪，可能采用线性光电二极管，而这种二极管需要冷却以最大程度地降低热噪声和信号调理的影响。Analog ADA4807 具有 180 MHz 的 -3 dB 带宽，尤其适用于该ADAQ7980 单芯片数据采集系统，该系统包含一个低噪声 1 MSPS SAR ADC。该系统可根据采样率自动调节功耗，从而最大限度地提高效率。集成低输入、宽带 ADC 驱动器和轨到轨输出以最大程度地减少失真，从而避免了设计工程师在电路设计和元件选择等方面遇到的不必要复杂问题。内部电源架构和提供的精密外部电压基准也有助于降低系统噪声，从而保持信号完整性。
高速摄像机和视频监控应用中的机器视觉对信号采集提出了更高的要求。高速帧采集设备通过诸如 Camera Link 之类的通信协议与摄像机建立连接，并通过 PCI 或 PCI Express 接口与主机 PC 连接，该协议定义了 255 Mbps 到 680 Mbps 的视频处理速度。帧采集设备通常还实现重要的视频预处理功能，例如增益控制、坏像素补偿和动态范围扩展。这些功能通常需要以实时帧速率完成。设计帧采集设备是一项巨大的工程挑战，通常采用 FPGA 来解决，FPGA 既能提供所需的信号处理性能，又能将机器视觉算法集成到同一器件中。.
结论
无论是消费电子、工业应用还是医疗应用，采集传感器信号以获取有效数据都需要对信号链中的每个组件有透彻的了解。这涵盖了从传感器到模数转换器 (ADC) 的所有环节，并且在每个环节中，都必须选择正确的元件并进行适当的集成。在许多情况下，单芯片前端已经可用，这可以有效地简化设计并缩短产品上市时间。.
