從電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)看如何利用設(shè)計(jì)便利性資源簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)

據(jù)國內(nèi)某領(lǐng)先電子技術(shù)媒體的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，模擬和混合信號電路設(shè)計(jì)是工程師最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)任務(wù)之一。對于從事微弱信號采集的工程師來說，這樣的調(diào)查結(jié)果絕不意外。身為國內(nèi)某計(jì)量設(shè)備提供商的核心設(shè)計(jì)工程師的小馬深有體會，在他去年中的電磁流量計(jì)的方案選型、驗(yàn)證和樣機(jī)設(shè)計(jì)就完整地體驗(yàn)了一回，過程中的經(jīng)驗(yàn)體會或許對更多從事類似工作的工程師有很好的參考。

流量計(jì)作為并不為大眾所熟悉的產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域中其實(shí)有非常廣泛應(yīng)用，該產(chǎn)品的全球市場達(dá)數(shù)十億美元之巨。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計(jì)早已普及，價(jià)格競爭激烈、利潤空間日益減少，差異化和定制化生產(chǎn)已經(jīng)成為生產(chǎn)商激烈競爭中的一個(gè)重要突破點(diǎn)。如何有效獲取用戶實(shí)際需求，并且對傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行改良，是對生產(chǎn)商差異化和定制化生產(chǎn)過程的一個(gè)不小挑戰(zhàn)。越來越多的用戶接受并使用新流量計(jì)量技術(shù)，其中電磁流量計(jì)因?yàn)闊o壓力損耗，并且不受粘度、流體密度、溫度、壓力或電導(dǎo)率的影響，非常適合紙漿、泥漿、污水等的高精度測量工作而受到流量計(jì)廠商的廣泛采納。

小馬所在的企業(yè)就是其中之一，該公司去年初計(jì)劃設(shè)計(jì)新款電磁流量計(jì)。作為技術(shù)骨干，小馬負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的從立項(xiàng)到設(shè)計(jì)的全過程，但一直以來他更擅長于數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)的模擬前端電路的設(shè)計(jì)曾讓其頭疼不已。但過程中，他及時(shí)利用到ADI的部分設(shè)計(jì)資源，有效地幫助其大大壓縮了研發(fā)進(jìn)程，目前大致實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

利用工具套件簡化模擬電路器件選型、評估

電磁流量計(jì)作為一個(gè)成熟的產(chǎn)品，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)其實(shí)并不簡單，涉及到包括電源、電磁激勵(lì)、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理器、顯示器、鍵盤、邏輯I/O和多種通信機(jī)制，等等。項(xiàng)目一開始就讓小馬首先遇到了關(guān)鍵器件選型的棘手問題。除了系統(tǒng)處理器基本定型了某款他非常熟悉的32位AMR內(nèi)核MCU以外，包括前端的運(yùn)算放大器、儀表放大器、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字模擬信號隔離電路都未定。

曾經(jīng)有過成功使用一款ADI公司的14位ADC經(jīng)驗(yàn)的小馬，首先將高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器鎖定到ADI公司提供的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品上。作為占據(jù)全球數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器近半壁江山（47%，市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Databeans公司2010年數(shù)據(jù)）的ADI可以為設(shè)計(jì)工程師提供各種各樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，更重要的是，ADI還提供了這些轉(zhuǎn)換器合理使用的設(shè)計(jì)便利資源，包括應(yīng)用筆記、設(shè)計(jì)手冊、常見問題解答(FAQ)和各種教程。

在上次的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，小馬通過VisualAnalog設(shè)計(jì)軟件工具包以及ADC評估板順利抵完成了仿真、選型、評估，并解決了常見問題，過程中還參考了ADI公司提供的工具使用、評估板合理設(shè)置相關(guān)的小型教程和視頻，為后續(xù)的設(shè)計(jì)鋪平了道路。豐富的設(shè)計(jì)資源讓小馬印象深刻。事實(shí)上，ADI為每款高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器均提供便利的評估套件，可以幫助工程師輕松完成性能的評估和選型。

圖1：AD7682軟硬件評估平臺可提供全面的性能評估。

在ADI提供的數(shù)款16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，小馬的團(tuán)隊(duì)在綜合比較了轉(zhuǎn)換率、噪聲等關(guān)鍵特性后，初步確定選擇AD7682。選擇該款A(yù)DC除了因?yàn)閱螛O性單端和差分輸入以及單電源支持雙極性輸入等特性是其項(xiàng)目所需要的關(guān)鍵特性外，更主要的是具競爭力的價(jià)格以及低功耗特性（后者對于電池供電的電磁流量計(jì)尤其重要）也是目前國內(nèi)電磁流量計(jì)廠商所需要關(guān)切的重要競爭優(yōu)勢。ADI為AD7682所提供的完整評估套件（評估板和評估軟件平臺）為后續(xù)的ADC性能特性驗(yàn)證提供了極大的便利，基于該套件小馬的團(tuán)隊(duì)輕松完成對AD7682在電磁流量計(jì)應(yīng)用的全面性能評估。

同時(shí)，在運(yùn)算放大器和儀表放大器的選型上，小馬也將ADI的產(chǎn)品作為主要的備選。在上次的設(shè)計(jì)中，使用得得心應(yīng)手的Multisim讓他記憶猶新。由ADI與NI合作開發(fā)的免費(fèi)下載的仿真軟件NI Multisim ADI版本能幫助設(shè)計(jì)工程師仿真電路設(shè)計(jì)，并且為他們的項(xiàng)目選擇最合適的放大器芯片。NI Multisim ADI版本仿真軟件采用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPICE技術(shù)，可為測試和仿真模擬電路提供直觀的仿真環(huán)境，包括從400多種ADI公司的放大器產(chǎn)品型號中選擇和評估。通過對設(shè)計(jì)的虛擬電路原型進(jìn)行仿真，您可以較早地檢測出設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤，從而避免了昂貴并且耗時(shí)的重復(fù)原型設(shè)計(jì)。事實(shí)上，ADI針對電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)，還在Mulitisim中增加了相關(guān)的專門仿真模塊（例如針對放大器穩(wěn)定性等關(guān)鍵特性的仿真模塊）以方便使用。

針對電池供電應(yīng)用設(shè)計(jì)、具有極低漏電流的低噪聲放大器AD8667和ADI公司為替代經(jīng)典放大器AD620推出的儀表放大器AD8220被選為其設(shè)計(jì)的放大器芯片。在DAC的選擇上，小馬的團(tuán)隊(duì)采用了ADI公司的適用于工業(yè)環(huán)境、具有許多集成診斷特性16位DAC AD5422。

在確定采用ADI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和放大器芯片后，已經(jīng)有幾次成功樣片申請經(jīng)驗(yàn)的小馬團(tuán)隊(duì)當(dāng)天就通過ADI免費(fèi)樣片申請鏈接申請到各五片樣片，同時(shí)購買了相關(guān)樣片適合的評估板。由于是申請的最常用模數(shù)轉(zhuǎn)換器和放大器產(chǎn)品，ADI本地?zé)衢T器件備貨的舉措讓小馬團(tuán)隊(duì)在三天后就得到了該項(xiàng)目所需要的關(guān)鍵器件。