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

实验室电路和参考设计克服设计挑战

针对模拟、混合信号和射频设计对于工程师来说通常具有较大挑战的现状，ADI创造性地从2008年开始推出“实验室电路概念：根据不同区域搜集的资源、客户的意见、需求反馈，然后集合ADI内部专家的技术能力和经验设计出客户需要的实用电路，并以详尽的文字和图片介绍电路设计的思路、设计方法、设计建议以及测试结果，用于协助设计工程师应对当今的模拟、混合信号及RF设计挑战，轻松快捷地实现系统集成。

电磁流量计的前端设计是典型的模拟和混合信号电路设计，通常会遇到以下这些挑战：电磁流量计产品的最大测量范围可能宽达1500:1，用于反映流速的范围是0.01m/s至15m/s；系统电源、中央逻辑单元、通信和I/O之间需要隔离，隔离等级要求从1kV至2.5kV不等；便携式电磁流量计要求超低功耗微控制器、放大器和ADC器件……设计工程师必须考虑许多不同的系统要求，包括精度、带宽和电磁激励频率等, 才能设计出合理的电磁流量计系统。此外，工业现场的温度环境非常复杂，有时甚至会造成极端恶劣的影响。EMC抗扰度(如ESD、EFT和浪涌等)也是电磁流量计设计的重大挑战。为了能够在较宽的温度范围内工作，低温漂系数和低功耗对电磁流量计至关重要。此外，电磁流量计内部的空间有限，系统密度很高，因而必须减小器件尺寸。

在小马的项目中，他们充分借鉴了ADI的实验室电路高效率地克服了上述的技术挑战。ADI提供的众多实验室电路中，“适合过程控制应用的完整高速、高共模抑制比(CMRR)精密模拟前端”和“利用单芯片电压和电流输出DAC AD5422及数字隔离器ADuM1401构建16位全隔离输出模块”等五个实验室电路对小马的电磁流量计设计提供了非常高的参考价值。

在常用电压下，电磁流量计传感器的输出范围可能小到只有数十微伏，输出阻抗往往高于兆欧范围，前端精密运算放大器或仪表放大器要求超高输入阻抗、极低漏电流和出色的共模抑制比。实验室电路“适合过程控制应用的完整高速、高共模抑制比精密模拟前端”很好地帮助解决了模拟前端电路设计的这些挑战。优化的高性能模拟前端不仅能提供电磁流量计要求的高精度还提供了高共模抑制比。高精度、高输入阻抗和高CMR由仪表放大器AD8226提供，AD8226可以提供小信号和大信号输入所需的出色CMR性能。

图2：优化的高性能模拟前端实验室电路能提供电磁流量计要求的高精度和高共模抑制比。

图3：基于AD5422及ADuM1401构件的适合于电磁流量计的16位工业控制输出模块实验室电路。

由于小马的团队采用了ADI公司的16位DAC AD5422，而在参考“利用单芯片电压和电流输出DAC AD5422及数字隔离器ADuM1401构建16位全隔离输出模块”的实验室电路中，因为该实验室电路结合数字隔离器ADuM1401所实现的良好电路设计理念和综合性能，让他们在隔离器的选择上放弃了之前一直采用的光隔离器件，第一次采用了ADI的iCoupler数字隔离器ADUM1401。在他们的电路中，ADuM1401不仅提供了微控制器与DAC之间所需的全部信号隔离，而且其自带的隔离电源保证了隔离性能的同时，高集成度对于空间受限的电磁流量计也非常重要。该实验室电路还含有标准外部保护功能，且经过测试和验证，完全符合IEC 61000标准。

事实上，每个产品的具体电路设计常常有不一样的变化，在ADI的实验室电路中通常为可能遇到的不同参数要求、器件选型和器件搭配等各种变化预见性地提出了更具针对性的建议，大大提高实用性。此外，任何高速电路的性能都高度依赖于适当的PCB布局，包括电源旁路、受控阻抗线路、元件布局、信号布线以及电源层和接地层，等等。ADI实验室电路通常提供了有关PCB布局详情、相关参考教程、以及有关本电路笔记的完整设计支持包（电路原理图、PCB文件、BOM清单，等等）

ADI即将推出电磁流量计的完整系统级参考设计，如果采用此参考设计方案，他们的设计周期可以进一步压缩1/3甚至一半（该系列参考解决方案目前已经可以向用户提供包括全套电磁流量计的原理图、详细PCB文件等完整的设计文档、相关的软件模块、测试测量资料以及BOM清单等资源）。事实上，ADI针对目前很多热门应用都提供融合ADI领先模拟、混合、RF以及数字技术的系统级参考设计解决方案。

小结：

在撰写本文的时候，获知ADI新近获得国内某知名媒体颁发的“杰出FAE支持”大奖。是的，除了全球技术领先的解决方案外，卓越的本地化技术支持一直是ADI强调的服务，因为ADI长期服务中国本地设计工程师的过程中深刻认识到与欧美国家不同的是，中国工程师相对年轻，他们渴望技术进阶以及从厂商那里得到更多的技术支持。

然而，当前中国企业对半导体方案提供商的设计服务需求已不仅仅停留在提供先进的解决方案以及更紧密有效的现场技术支持，提供设计各阶段所需的设计工具套件、验证模型、评估板以及包括像参考设计、实验室电路、应用笔记这样全面的工具和文档支持已经成为更多工程师和厂商的需求。也正是因为这样，ADI去年升级其广受欢迎的实验室电路以及在线样片申请程序，不断丰富实验室电路、应用笔记、完整解决方案等设计资料，为年轻工程师提供全方位的线上线下技术支持。除现场应用工程师外，ADI的亚洲技术支持中心的技术团队还会通过电话和邮件的形式处理、解答来自于客户的各种技术问题，并提供设计参考信息。还开设了活跃度极高的ADI中文技术论坛。设计工程师如果能恰当利用这些资源，将能加快其技术能力成长，克服设计过程中常常面临的各种技术挑战，进而压缩产品开发周期。