从电磁流量计设计看如何利用设计便利性资源简化产品设计

据国内某领先电子技术媒体的调查发现，模拟和混合信号电路设计是工程师最具挑战性的设计任务之一。对于从事微弱信号采集的工程师来说，这样的调查结果绝不意外。身为国内某计量设备提供商的核心设计工程师的小马深有体会，在他去年中的电磁流量计的方案选型、验证和样机设计就完整地体验了一回，过程中的经验体会或许对更多从事类似工作的工程师有很好的参考。

流量计作为并不为大众所熟悉的产品在工业领域中其实有非常广泛应用，该产品的全球市场达数十亿美元之巨。然而，传统的机械式流量计早已普及，价格竞争激烈、利润空间日益减少，差异化和定制化生产已经成为生产商激烈竞争中的一个重要突破点。如何有效获取用户实际需求，并且对传统产品进行改良，是对生产商差异化和定制化生产过程的一个不小挑战。越来越多的用户接受并使用新流量计量技术，其中电磁流量计因为无压力损耗，并且不受粘度、流体密度、温度、压力或电导率的影响，非常适合纸浆、泥浆、污水等的高精度测量工作而受到流量计厂商的广泛采纳。

小马所在的企业就是其中之一，该公司去年初计划设计新款电磁流量计。作为技术骨干，小马负责该项目的从立项到设计的全过程，但一直以来他更擅长于数字电路系统设计，团队的模拟前端电路的设计曾让其头疼不已。但过程中，他及时利用到ADI的部分设计资源，有效地帮助其大大压缩了研发进程，目前大致实现了系统最初的设计目标。

利用工具套件简化模拟电路器件选型、评估

电磁流量计作为一个成熟的产品，其系统设计其实并不简单，涉及到包括电源、电磁激励、信号调理、模数转换、处理器、显示器、键盘、逻辑I/O和多种通信机制，等等。项目一开始就让小马首先遇到了关键器件选型的棘手问题。除了系统处理器基本定型了某款他非常熟悉的32位AMR内核MCU以外，包括前端的运算放大器、仪表放大器、高精度模数转换器、数模转换器以及数字模拟信号隔离电路都未定。

曾经有过成功使用一款ADI公司的14位ADC经验的小马，首先将高精度数据转换器锁定到ADI公司提供的16位模数转换器产品上。作为占据全球数据转换器近半壁江山（47%，市场调研机构Databeans公司2010年数据）的ADI可以为设计工程师提供各种各样的模数转换器，更重要的是，ADI还提供了这些转换器合理使用的设计便利资源，包括应用笔记、设计手册、常见问题解答(FAQ)和各种教程。

在上次的产品设计中，小马通过VisualAnalog设计软件工具包以及ADC评估板顺利抵完成了仿真、选型、评估，并解决了常见问题，过程中还参考了ADI公司提供的工具使用、评估板合理设置相关的小型教程和视频，为后续的设计铺平了道路。丰富的设计资源让小马印象深刻。事实上，ADI为每款高性能模数转换器均提供便利的评估套件，可以帮助工程师轻松完成性能的评估和选型。

图1：AD7682软硬件评估平台可提供全面的性能评估。

在ADI提供的数款16位模数转换器中，小马的团队在综合比较了转换率、噪声等关键特性后，初步确定选择AD7682。选择该款ADC除了因为单极性单端和差分输入以及单电源支持双极性输入等特性是其项目所需要的关键特性外，更主要的是具竞争力的价格以及低功耗特性（后者对于电池供电的电磁流量计尤其重要）也是目前国内电磁流量计厂商所需要关切的重要竞争优势。ADI为AD7682所提供的完整评估套件（评估板和评估软件平台）为后续的ADC性能特性验证提供了极大的便利，基于该套件小马的团队轻松完成对AD7682在电磁流量计应用的全面性能评估。

同时，在运算放大器和仪表放大器的选型上，小马也将ADI的产品作为主要的备选。在上次的设计中，使用得得心应手的Multisim让他记忆犹新。由ADI与NI合作开发的免费下载的仿真软件NI Multisim ADI版本能帮助设计工程师仿真电路设计，并且为他们的项目选择最合适的放大器芯片。NI Multisim ADI版本仿真软件采用符合工业标准的SPICE技术，可为测试和仿真模拟电路提供直观的仿真环境，包括从400多种ADI公司的放大器产品型号中选择和评估。通过对设计的虚拟电路原型进行仿真，您可以较早地检测出设计过程中的错误，从而避免了昂贵并且耗时的重复原型设计。事实上，ADI针对电磁流量计设计，还在Mulitisim中增加了相关的专门仿真模块（例如针对放大器稳定性等关键特性的仿真模块）以方便使用。

针对电池供电应用设计、具有极低漏电流的低噪声放大器AD8667和ADI公司为替代经典放大器AD620推出的仪表放大器AD8220被选为其设计的放大器芯片。在DAC的选择上，小马的团队采用了ADI公司的适用于工业环境、具有许多集成诊断特性16位DAC AD5422。

在确定采用ADI公司的模数转换器和放大器芯片后，已经有几次成功样片申请经验的小马团队当天就通过ADI免费样片申请链接申请到各五片样片，同时购买了相关样片适合的评估板。由于是申请的最常用模数转换器和放大器产品，ADI本地热门器件备货的举措让小马团队在三天后就得到了该项目所需要的关键器件。