1. 课程导入与ADI信号链全景

在工业测量、医疗仪器、汽车电子和消费类设备中，传感器往往是最先接触真实世界的器件，但它输出的信号通常并不适合直接送入处理器。温度、压力、振动、光强、电流这些物理量，被传感器转换成微弱的电压、电流或电荷变化，幅度可能只有微伏到毫伏级，还伴随共模干扰、噪声、漂移和非线性。要让后端MCU或DSP能够可靠地读取、计算和判断，中间必须经过一条完整的信号调理与转换链路。本课程围绕这条链路展开，目标是让读者能够独立完成从传感器接口设计、信号调理、模数转换，到系统级校准与验证的完整工作。

从物理量到数字量的完整信号链

一条典型的传感器信号链可以拆成六个环节：物理量输入、传感转换、模拟调理、模数转换、数字处理、系统校准。物理量是温度、压力、位移等被测量；传感转换由传感器完成，输出可能是差分电压、单端电压、电流或电荷；模拟调理负责放大、滤波、电平移位、隔离和驱动；模数转换把模拟电压变成数字码；数字处理完成标定、滤波、线性化和单位换算；系统校准则贯穿始终，用已知参考修正增益误差、失调误差和温漂。

以压力测量为例：一个惠斯通电桥压力传感器在满量程时输出约 20 mV 的差分电压，共模电平约为供电电压的一半。若直接送入 3.3 V 单端 ADC，20 mV 只占满量程的 0.6%，有效位数损失严重。正确做法是先用仪表放大器或差分放大器把差分信号放大到接近 ADC 满量程，同时抑制共模电压，再通过抗混叠滤波器限制带宽，最后送入差分输入的 SAR ADC。假设放大倍数为 100，20 mV 变为 2 V，ADC 参考为 2.5 V，则信号占满量程的 80%，量化精度显著提升。

ADI在信号链各环节的产品布局

ADI 的产品线几乎覆盖了上述信号链的每一个环节。在放大环节，AD8226 是低功耗仪表放大器，适合电桥和热电偶接口；ADA4522 是零漂移运算放大器，失调电压温漂仅 22 nV/°C，适合直流精密测量；AD8421 则兼顾低噪声和高带宽，适合振动和动态信号。在模数转换环节，AD7124 是 24 位 Σ-Δ ADC，内置 PGA 和激励电流源，可直接连接 RTD 和热电偶；AD7606 是 8 通道同步采样 ADC，适合电力线和多相电机测量；AD7091R 是 12 位低功耗 SAR ADC，适合便携设备。在数模转换环节，AD5686 提供 16 位四通道电压输出，AD5421 是环路供电 4–20 mA DAC，适合工业变送器。基准源方面，ADR4525 提供 2.5 V 低温漂基准，ADR4540 提供 4.096 V 基准，LTZ1000 则用于超高精度场合。隔离器方面，ADuM5401 集成四通道隔离和 DC-DC 转换，ADuM3160 用于 USB 隔离，ADuM1250 用于 I²C 隔离。多路复用器方面，ADG1408 是 8 通道差分多路复用器，ADG5208 具有过压保护，ADG708 是低电容多路复用器。

学习目标与课程定位

本课程不是简单的器件手册复述，而是围绕“如何把传感器信号可靠地变成数字量”这一工程问题展开。学完本课程，读者应当能够：第一，根据传感器输出类型和精度要求，选择合适的放大器和 ADC 拓扑；第二，计算增益、噪声、带宽和有效位数，判断链路是否满足指标；第三，设计基准源和隔离方案，保证系统在工业环境下的稳定性和安全性；第四，完成系统级校准，包括失调校准、增益校准和温度补偿；第五，使用 ADI 提供的评估板和软件工具进行实测验证。

一个贯穿课程的示例场景

为了让后续内容有统一的参照，我们设定一个贯穿课程的示例场景：一个工业温度变送器，使用 PT100 铂电阻测量 0–200 °C，要求输出 4–20 mA 电流环信号，精度目标为 ±0.1 °C。PT100 在 0 °C 时阻值为 100 Ω，在 200 °C 时约为 175.84 Ω，灵敏度约为 0.385 Ω/°C。若采用 1 mA 激励电流，0 °C 时输出电压为 100 mV，200 °C 时为 175.84 mV，满量程变化仅 75.84 mV。这个信号需要经过仪表放大器放大、Σ-Δ ADC 转换、MCU 线性化处理，再通过 DAC 输出 4–20 mA。后续章节会逐步展开每个环节的设计细节和校准方法。

信号链的每一个环节都会引入误差，而系统校准的任务就是识别、量化并修正这些误差。误差可能来自传感器本身的非线性、放大器的失调和增益误差、ADC 的量化噪声和参考电压漂移、以及温度变化带来的参数偏移。理解这条链路的完整结构和各环节的误差来源，是后续进行精确设计和校准的前提。