相关推荐recommended
AFE芯片做什么用的?AFE(Analog Front End) 模拟前端
作者:mmseoamin日期:2023-11-30

AFE 模拟前端电路和AFE模拟前端芯片

AFE在处理链的最前面,即输入端,进行模拟信号的处理的电路。称为模拟前端。

AFE芯片做什么用的?AFE(Analog Front End) 模拟前端,AFE芯片做什么用的?AFE(Analog Front End) 模拟前端,第1张

AFE指集成了ADC、放大器、基准源、激励电路、调制解调电路等的模拟系统,可以广泛应用于各类高精度测量领域,相对于ADC,AFE的集成度更高、功能更强大,一般与MCU共同使用。

AFE 芯片的运行原理可以分为以下几个步骤:

1、采样:

AFE 芯片通过内置的 ADC(模数转换器)将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号。ADC 采用的采样率越高,转换的数字信号精度就越高。

2、滤波:

由于传感器采集到的模拟信号中可能包含一些不必要的噪声和干扰,AFE 芯片会通过内置的滤波器对数字信号进行滤波处理,以提高数字信号的信噪比。

3、放大:

AFE 芯片还可以对数字信号进行放大处理,以提高数字信号的灵敏度和分辨率。

4、数字处理:

经过上述处理后,AFE 芯片将数字信号发送到处理器进行数字信号处理。处理器可以对数字信号进行各种算法处理,例如滤波、FFT(快速傅里叶变换)、信号分析等。

5、输出:

处理后的数字信号可以通过多种方式进行输出,例如串口输出、并口输出、以太网输出等。

影响AFE采样精度的因素有哪些? 

AFE(Analog Front End) 是模拟前端电路的缩写,它是模拟信号传感器和数字信号处理器之间的连接点。AFE采样精度是指模拟信号被数字化后的准确度,对于很多电子设备来说,这是一个至关重要的性能指标。本文将介绍影响AFE采样精度的因素,并提供一些解决方法。

1. 噪声

噪声是指信号中不必要的杂波,它会影响到信号的准确度。在AFE采集信号时,由于环境因素、电路自身等原因会产生噪声,因此要减少噪声对信号的影响,可以通过加大采样精度、提高信噪比、优化系统抗干扰性等方法。

2. 采样频率

采样频率是指采集模拟信号的时钟频率。采样频率越高,能够采集的信号波形越接近原始信号,因此采样频率对于AFE采样精度具有重要影响。不过,过高的采样频率也会导致处理器负担过大,因此需要在保证精度的前提下,找到一个合适的采样频率。

3. 放大器增益

AFE中的放大器是起到增强信号的作用。然而,过高或过低的放大器增益都会影响到AFE采样精度。如果增益过高,会导致信号饱和,无法提高采样精度;如果增益过低,信号则无法被充分放大,同样也无法提高采样精度。因此,需要在实际应用中调节放大器增益,以获得更好的采样精度。

4. 电源噪声

电源噪声是指电源本身的噪声,它可能会影响到AFE中的放大器和其他电路。在实际应用中,可以采用电源隔离、电源降噪、电源滤波等方法来降低电源噪声对AFE采样精度的影响。

5. 传输线路

AFE采集的信号需要通过传输线路传输到数字处理器进行处理。在传输过程中,信号可能会受到干扰或信号衰减,从而影响到采样精度。因此,在实际应用中,可以采用屏蔽线、平衡线、差分线等方法来减少传输线路对AFE采样精度的影响。

6. 温度

温度对AFE采样精度也有很大的影响。在不同的温度下,电路元件的特性会发生变化,这会直接影响到采样精度。因此,在实际应用中,需要对AFE进行温度补偿,以保证在不同温度下获得一致的采样精度。

7. ADC分辨率

ADC(Analog to Digital Converter)是将模拟信号转换成数字信号的核心器件。ADC的分辨率决定了数字信号的准确度,因此也会影响到AFE采样精度。一般来说,ADC的分辨率越高,能够采集到的信号细节就越多,采样精度也就越高。

8. 信号类型

不同的信号类型对于AFE采样精度也有很大的影响。例如,正弦波信号的采样精度要比方波信号高,因为正弦波信号的频谱比方波信号更加平滑,不会产生高频成分。因此,在实际应用中,需要根据信号类型来选择合适的AFE参数,以获得最佳的采样精度。

9. 器件匹配

AFE中的各个电路元件需要相互匹配,以保证电路的准确度和稳定性。如果各个元件的参数不匹配,会导致信号偏移、失真等问题,从而影响到采样精度。因此,在实际应用中,需要进行器件匹配和校准,以保证AFE的准确度和稳定性。

总结

AFE采样精度的影响因素非常多,需要综合考虑各种因素,并根据实际应用场景来选择合适的参数和方法。通过减少噪声、提高采样频率、调节放大器增益、降低电源噪声、优化传输线路、进行温度补偿、选择合适的ADC分辨率、根据信号类型选择合适的AFE参数、进行器件匹配和校准等方法,可以提高AFE的采样精度,从而更好地满足各种应用需求。

————————————————

版权声明:本文为CSDN博主「czf.Forver」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。

原文链接:https://blog.csdn.net/weixin_45459486/article/details/129082406

AFE芯片做什么用的?AFE(Analog Front End) 模拟前端,AFE芯片做什么用的?AFE(Analog Front End) 模拟前端,第2张

 

AFE(Analog Front End) 模拟前端主要功能

 

模拟前端处理的对象是信号源给出的模拟电视、模拟声音信号,其主要功能包括以下几个方面:

信号放大:当接收到的信号过于微弱,满足不了系统载噪比要求时,在前端要采用低噪声放大器进行放大,以提高载噪比。

频率变换:为了实现传输频道的某种配置,有时也为了避开某种干扰,前端需要对某些频道进行变换。例如,早期的有线电视系统基本上在VHF频段内传输信号,对于个别在UHF频段内播出的节目,可使用频道变换器,将其从UHF频段转换到VHF频段。另外,对于距离电视发射塔较近的地区,由于电视信号很强,用户的电视机会直接感应到强信号,该信号与有线电视前端接收下来的同一电视信号都会进入电视机,但两者存在时间差,将在电视机图像上形成不易消除的重影,因此,也需要将该频道信号转换成另一频道信号。

调制、解调:在接收卫星、微波信号时,需先对其进行解调,恢复视、音频信号,然后再将其调制为选定频道的射频信号;自办节目也需要经过调制后才能进入混合器;另外,一些开路信号也采用解调-调制的变换方式来进行处理。

邻频处理:有线电视系统采用邻频传输可以充分利用频谱资源,在有限的频带范围内尽可能多地传输节目,但同时也会造成邻频干扰问题。因此需要在前端采用各种技术措施来进行邻频处理,最大限度地消除邻频干扰。邻频处理主要包括声表面波滤波、锁相环路(PLL)频率合成技术、图像和伴音分通道处理、A/V比可调技术等,用来完成调制、解调、频率变换、混合等功能。

电平调整与控制:用于各频道的电平进行调整和控制,使频道内和频道间的电平波动不超过要求的范围。

混合:混合的目的是将所有处理后的信号复合在一起,以便用一条线路传输。

邻频传输系统的模拟前端构成

卫星接收机将收到的信号以视、音频方式输出到调制器,调制到VHF、UHF或增补频道的某一设定频道,然后送入混合器。自办节目也输入到调制器进行调制。调制器的工作原理与模拟地面广播相同,先将视音频信号调制到中频,经过中频处理后再上变频到射频。地面VHF和UHF信号由天线接收后要经带通滤波器将带外信号滤除干净,然后进入信号处理器将频率变换到设定频道。频率变换的过程是先将信号下变频到中频,进行中频处理之后上变频到所需频率。调频广播信号经过带通滤波后送入FM信号处理器进行相应处理,然后送入混合器。导频信号发生器用于产生导频信号。在使用同轴电缆传输的传统有线电视系统中,信号的衰减量和幅频特性的斜率会随着温度的变化而变化。为了保持输出信号电平稳定,必须在干线放大器中进行自动增益控制(AGC)和自动斜率控制(ASC),以补偿温度变化的影响。为了给AGC和ASC电路提供参考信号,在有线电视前端专门产生一到二个固定频率的载波信号,此载波信号就是所谓的导频信号。导频信号同电视信号一起进入到干线传输系统,通过干线放大器放大,然后在放大器输出端被提取出来,经处理后对放大器增益特性和均衡特性进行自动控制,从而保证输出电平稳定。

模拟前端 AFE包括所有和线圈相连的电路,提供卡片所需的电能,并且处理与读卡器之间的双向数据。

模拟前端(AFE)行业目前现状分析

1.美国和欧洲企业,占据主导地位

目前全球AFE市场,美国和欧洲企业占据主导地位。核心厂商包括美国TI、ADI和Microchip Technology,欧洲意法半导体和恩智浦等。

2.亚洲企业整体处于弱势地位

亚洲企业,日本厂商处于领先地位,代表性企业有瑞萨、罗姆和AKM。中国台湾和中国大陆也有一些厂商,不过进入市场时间、总体规模较弱,目前在低端领域扮演一定角色。

 

模拟前端(AFE)发展趋势

1. 未来几年,预计美国企业,依然处于主导地位,由于极强的研发创新能力,以及现有的市场地位。

2. 中国本土企业,将迎来快速发展。这个主要得益于美国对中国科技发展限制背景下,进口替代所推动。

3.未来几年,预计面向可穿戴医疗、消费等领域AFE将保持快速增长。

模拟前端(AFE)行业发展机遇及主要驱动因素

1.便携式医疗健康产品需求大

便携医疗健康设备三大痛点:

一是设备还不够轻便,二是测量还不够精准,三是续航时间短。当然,随着技术不断进步,便携医疗健康设备在这三点上进步很快,因而也促进了便携医疗健康设备的市场发展。

ADI公司预计,随着慢性病治疗方案的改进,采用电子设备来对病人进行预测、预防性监测的需求将越来越多,通过预防性监测对慢性病实施精细化管理,将有效降低病人医护负担,减少致命性风险,降低住院治疗比例,既维护了慢性病患者的身体健康,又降低了慢性病患者的经济负担。2021年,ADI公司推出两款主要面向医疗健康设备的模拟芯片,为进一步改善便携医疗设备痛点,提供了更优选择方案。

其中,MAX86178是一款多合一功能的医疗专用模拟前端(AFE)芯片,集成三种生命体征测量系统,单芯片可实现四项生命体征信号测量的模拟前端通道。MAX77659用途更广,这是一款单电感多输出(SIMO)电源管理芯片(PMIC),利用单电感即可以为设备提供多个供电电压,与常见可穿戴方案相比,采用MAX77659的方案,尺寸减少60%,元件数量(BOM)减少60%。

MAX86178集成了三个完整的测量系统(光学、心电和生物阻抗),均能提供可应用于临床诊断的测量精度。其中ECG心电测量通道,符合IEC60601-2-47标准,提供医疗用心电图测量,可用于房颤检测和心脏健康监测,还支持心率和心率失常检测。光电测量通道PPG可提供临床级血氧饱和度参数(SpO2)测量,该参数可用于监测肺功能,或睡眠障碍诊疗,此外PPG也可以用于测量心率,该通道采用突发模式时,信噪比高达113dB。第三个测量系统是生物阻抗测量通道,可支持阻抗心动描记法(ICG)、生物电阻抗分析法(BIA)、生物阻抗谱(BIS)、皮电反应(GSR/EDA)等测量项目。

 

AFE芯片做什么用的?AFE(Analog Front End) 模拟前端,AFE芯片做什么用的?AFE(Analog Front End) 模拟前端,第3张

2.新能源汽车需求驱动

据中国汽车工业协会的数据显示,每辆传统内燃机汽车需要500-600 颗芯片,而到了新能源汽车时代,单车芯片用量升至1000-2000颗。同时随着新能源汽车的起量,对于半导体芯片的需求与日俱增。

目前新能源车BMS产品中多采用集连多颗AFE芯片(不包含采样电路)的方式。据我们调研,2017年,单车使用AFE数量在10-12颗左右,2022年在12-15颗之间,预计2028年对AFE的使用在15-18颗。2021年全球新能源汽车产量为640万辆,按每辆车需求12.5颗AFE芯片计算,2021年全球新能源汽车对AFE芯片需求量为8400万颗,预计2022-2028年,新能源汽车AFE芯片需求年复合增长率为35.6%。这将极大驱动全球AFE的快速增长。

 

3.中国市场需求

目前中国占据全球新能源汽车重要地位,中国市场的需求,将极大驱动全球AFE市场。

在日常生活中,我们的耳朵、眼睛和其他感官接收的信号都是模拟信号。要把这些信号变得更易处理和传输,我们需要一个“魔法棒”来将它们变成数字信号。AFE(Analog Front End,模拟前端)芯片就像那位忍不住露一手的魔法师,悄悄地将周围环境的神秘模拟信号预先加工,再化成可供微处理器享用的数字美食。接下来的文章里,颖特新就带您领略这位神奇电子元件的魅力所在,详细介绍AFE芯片的应用领域和如何施展魔法。

AFE芯片

一、AFE芯片的应用领域

AFE芯片广泛应用于各种设备和行业,以下列举几个典型领域:

1.医疗设备:如心电图机、血压仪等,能够快速、准确地获取患者生体信号。

2.工业自动化:如温度控制器、压力检测器等,实时监测生产过程中的关键参数。

3.通信系统:例如基站接收器,接收和处理射频信号,保证通信质量。

4.消费电子产品:如智能手机、平板电脑等,提升音视频性能和触控响应速度。

二、AFE芯片的核心功能

AFE芯片主要负责以下几个关键功能:

A. 放大(Amplification)

许多模拟信号具有较低的幅值,需要通过放大器进行放大以便后续处理。这里涉及到选取合适的增益(Gain),以确保信号不失真、不被噪声淹没。

B. 滤波(Filtering)

滤波器用于消除不需要的频段上的信号成分,如高频噪声、基础频率干扰等,从而获得更加纯净的目标信号。

C. 采样和量化(Sampling and Quantization)

ADC(Analog-to-Digital Converter,模数转换器)负责将处理过的模拟信号抽样并转换为数字信号,以便进行存储、传输或进一步处理。

三、AFE芯片选型指南

在选择AFE芯片时,需关注以下几个关键因素:

1.输入信号类型:根据应用场景确定输入信号类型(如电压、电流、射频等),选择对应的AFE芯片。

2.动态范围与信噪比:动态范围越大,表示AFE芯片可以处理更广泛幅值的信号;信噪比越高,表示芯片对输入信号的保真度越好。

四、AFE芯片应用案例

为了帮助您更好地理解AFE芯片的实际应用,以下是一些典型的案例:

1.心电图机:通过模拟前端放大和处理微弱的心电信号,使其能够被后续系统识别和分析。

2.智能手机:提高音频信号的质量,降低背景噪声,打造更清晰的通话体验。

3.工业传感器:将温度、压力等物理量转换为数字信号,实现实时监测和控制。

结论

AFE芯片在众多应用中发挥着至关重要的作用,它们使我们能够轻松地从模拟世界中提取和处理有用信息,妥善地将这些信号转换为数字形式。通过深入了解AFE芯片的应用领域、核心功能以及选型指南,您将更加自信地挑选出适用于各种应用场景的优质产品。

随着科技的迅速发展,AFE芯片在各个行业中变得越来越关键。从医疗健康到通信设备,再到智能家居与工业自动化,AFE芯片都在默默支撑着现代生活的方方面面。掌握AFE芯片的选购技巧,让我们共同为未来的创新和进步贡献力量。