疾病管理和保健

模拟输出ADXL354和数字输出ADXL355均为低噪声密度、低0 g失调漂移、低功耗、3轴加速度计，具有可选测量范围。ADXL354B支持±2 g和±4 g范围，ADXL354C支持±2 g和±8 g范围，ADXL355支持±2 g、±4 g和±8 g范围。ADXL354/ADXL355在温度范围内提供低噪声、小失调漂移和长期稳定性，可实现校准工作量极小的精密应用。

ADXL355体积小巧，集成度高，是物联网(IoT)传感器节点和其他无线产品设计的理想之选。

ADXL355多功能引脚名称仅可由串行外设接口(SPI)或I²C接口的相关功能引用。

应用

• 惯性测量单元(IMU)/航姿和航向参考系统(AHRS)
• 平台稳定系统
• 结构健康监控
• 地震成像
• 倾斜检测
• 机器人
• 状态监控

模拟输出ADXL354和数字输出ADXL355均为低噪声密度、低0 g失调漂移、低功耗、3轴加速度计，具有可选测量范围。ADXL354B支持±2 g和±4 g范围，ADXL354C支持±2 g和±8 g范围，ADXL355支持±2 g、±4 g和±8 g范围。ADXL354/ADXL355在温度范围内提供低噪声、小失调漂移和长期稳定性，可实现校准工作量极小的精密应用。

ADXL355体积小巧，集成度高，是物联网(IoT)传感器节点和其他无线产品设计的理想之选。

ADXL355多功能引脚名称仅可由串行外设接口(SPI)或I²C接口的相关功能引用。

应用

• 惯性测量单元(IMU)/航姿和航向参考系统(AHRS)
• 平台稳定系统
• 结构健康监控
• 地震成像
• 倾斜检测
• 机器人
• 状态监控

ADuCM350是一款可配置的阻抗转换器和恒电位仪，具有电流和电压测量功能，适合电化学传感器和生物传感器。它是一款完整的、纽扣电池供电、高精密MCU集成解决方案，适合便携式设备应用，例如护理点诊断和用于监护生命体征的穿戴式设备。

ADuCM350模拟前端(AFE)具有16位、精密、160 kSPS模数转换器(ADC)；0.17%精密基准电压源；12位、无失码数模转换器(DAC)；以及可重新配置的超低泄漏开关矩阵。 该产品具有4个电压测量通道、多达8个电流测量通道，以及一个阻抗测量DFT引擎 ADuCM350还内置一个基于ARM Cortex-M3的处理器、存储器和所有I/O连接，因而可支持带显示器、USB通信和有源传感器的便携式计量仪。 ADuCM350采用120引脚8 mm × 8 mm CSP_BGA封装，额定工作温度范围为-40℃至+85℃。

为支持极低的动态和休眠电源管理，ADuCM350提供一系列电源模式和功能，例如动态和软件控制时钟门控与电源门控。 AFE通过高级微控制器总线结构(AMBA)矩阵上的高级高性能总线(AHPB)从机接口以及直接存储器访问(DMA)和中断连接与ARM Cortex-M3连接。

应用

• 护理点诊断
• 用于监护生命体征的穿戴式设备
• 电流、电压、阻抗测量

ADXL362是一款超低功耗、3轴MEMS加速度计，输出数据速率为100 Hz时功耗低于2 μA，在运动触发唤醒模式下功耗为270 nA。与使用功率占空比来实现低功耗的加速度计不同，ADXL362没有通过欠采样混叠输入信号；它采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。

ADXL362通常提供12位输出分辨率；在较低分辨率足够时，还提供8位格式化数据以实现更高效的单字节传送。测量范围为±2 g、±4 g和±8 g，±2 g范围内的分辨率为1 mg/LSB。噪声电平要求低于ADXL362正常值550 μg/√Hz的应用可以从两个低噪声模式（典型值低至175 μg/√Hz）选择其一，电源电流增加极小。

除了超低功耗以外，ADXL362还具有许多特性来实现真正的系统级节能。该器件包含了一个深度多模式输出FIFO、一个内置微功耗温度传感器和几个运动检测模式，其中包括可调阙值的睡眠和唤醒工作模式，在该模式下测量速率为6Hz（大约值）时功耗低至270nA。如有需要，可在检测到运动时提供一个引脚输出来直接控制外部开关。此外，ADXL362还支持对采样时间和/或外部时钟进行外部控制。

ADXL362可以在1.6V至3.5V的宽电源电压范围内工作，并且必要时可以与采用独立低电源电压工作的主机接口。ADXL362采用3 mm × 3.25 mm × 1.06 mm封装。

应用

• 助听器
• 家庭医疗健康设备
• 运动使能节能开关
• 无线传感器
• 运动使能计量设备

AD8235可以采用低至1.8 V的电源供电。输入级可提供较宽的轨到轨输入电压范围，而不会发生其它设计常见的交越失真。轨到轨输出可以与ADC轻松实现接口。

AD8235是信号调理应用的绝佳选择。50 pA的低输入偏置电流、110 dB的高共模抑制比（CMRR，G = 100）、小尺寸以及低功耗，使该器件极具应用价值。

额定温度范围为−40°C至125°C扩展工业温度范围。

应用
--医疗仪器
--低端电流检测
--便携式电子设备

通用串行总线(USB)正迅速成为大部分PC外设的标准接口。由于它具有出色的速度、灵活性，并且支持设备热插拔，因而正在取代RS-232和并行打印机端口。工业和医疗设备制造商也非常希望使用这种总线，但苦于没有很好的方式来为控制危险电压的机器连接或者医疗应用中的低泄漏防去颤连接提供必要的隔离，导致应用推广相当缓慢。

ADuM4160 提供了一种经济简单的方式来实现工业和医疗外设隔离缓冲器。需要解决的挑战包括：

1. 直接在USB D+和D−线路中隔离，以便使用微处理器中的现有USB基础架构。
2. 针对不需要外部控制线路的控制数据流实施自动控制方案。
3. 提供医用级隔离。
4. 支持完整外设达到USB-IF认证标准。
5. 支持全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)信号速率。
6. 支持灵活的电源配置。

图1所示的电路隔离了一个支持USB接口的外设。由于本电路没有明确定义外设，因此隔离器副边的电源已作为解决方案的一部分提供。如果在外设的PCB上构建该电路，则电源可以从外设的离线电源、电池或者USB电缆总线电源获得，具体取决于应用需要。

这里所示的应用电路是许多医疗和工业应用的典型电路。

AD5933和AD5934是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案，集片内可编程频率发生器与12位、1 MSPS（AD5933）或250 kSPS（AD5934）的模数转换器(ADC)于一身。可调频率发生器产生已知频率来激励外部复阻抗。

图1所示电路在低欧姆范围直至数百kΩ范围内产生精确的阻抗测量，同时还优化了AD5933/AD5934的整体精度。

图1中的电路是超低功耗数据采集系统，使用了AD7091R 12位、1 MSPS SAR ADC和 AD8031 运算放大器驱动器，电路的总功耗低于5 mW，采用3 V单电源供电。

所选器件的低功耗和小封装尺寸使得这种组合成为业界领先的便携式电池供电系统解决方案，在这种系统中功耗、成本和尺寸极为关键。

当V_DD引脚为3 V时，AD7091R的电源电流典型值仅为350μA，远低于目前市场上的任何ADC竞争产品。这意味着典型功耗约为1 mW。

AD8031仅需800μA的电源电流，电源电压为3 V时的典型功耗为2.4 mW，在10 kHz模拟输入信号下以1 MSPS的速率进行采样时，系统总功耗低于5 mW。

图1所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具有 暗电流补偿功能。系统转换来自高速硅PIN光电二极管的 电流，并驱动20 MSPS模数转换器(ADC)的输入。该器件组 合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流 敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。信号调理电 路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA，适合便携式高速、 高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。

本电路还适合其它应用，如模拟光隔离器。它还能满足需 要更高带宽和更低分辨率的应用，如自适应速度控制系 统。

本电路笔记讨论图1中所示电路的优化设计步骤，以满足 特定带宽应用的要求，这些步骤包括：稳定性计算、噪声 分析和器件选择考虑因素。

图1所示电路采用一个三轴ADXL362数字加速度计和ADP195高端电源开关来构建一个超低功耗、对运动敏感的开关。

这种器件组合针对控制负载功率的独立运动开关提供了业界领先的低功耗解决方案。

ADXL362 是一款超低功耗三轴加速度计，在唤醒模式下的功耗不足100 nA。与使用功率占空比来实现低功耗的加速度计不同， ADXL362没有通过欠采样混叠输入信号；它在全数据速率下进行持续采样。还有一个片内、12位温度传感器，精度可达±0.5°。

ADXL362的输出分辨率为12位支持±2 g、±4 g及±8 g三种工作范围，±2 g范围内的分辨率为1 mg/LSB。噪声电平要求低于480μg/√Hz的应用可以选择两个低噪声模式(低至120μg/√Hz)之一，电源电流增加极小。

ADP195是一款高端负载开关，采用1.1 V至3.6 V电源供电，可防止电流反向从输出端流向输入端。该器件内置一个低导通电阻P沟道MOSFET，后者支持1.1 A以上的连续负载电流并可将功率损耗降至最低。

ADXL362基本工作原理

ADXL362是一款三轴、超低功耗加速度测量系统，能够测量动态加速度(由运动或冲击导致)和静态加速度(即重力)。

传感器的移动元件为多晶硅表面微加工结构(也称为梁)，置于硅晶圆顶部。多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供加速度力量阻力。

结构偏转由差分电容进行测量。每个电容均由独立固定板和活动质量块连接板组成。任何加速度均会使梁偏转、差分电容失衡，从而使传感器输出的幅度与加速度成比例。 相敏解调用于确定加速度的幅度和极性。

工作模式

ADXL362 的三种基本工作模式为待机、测量和唤醒。

• 将 ADXL362置于待机模式可以暂停测量，并将功耗降至10nA。会保留所有待处理数据或中断，但不会处理新的信息。 ADXL362 以待机模式上电，上电时所有传感器功能均关闭。


• 测量模式是 ADXL362的正常工作模式。在此模式下，器件会持续读取加速度数据。采用2.0 V电源供电时，在输出数据速率高达400 Hz的整个范围内，该加速度计的功耗都低于3 μA 。在此模式下工作时，可以使用介绍的所有功能。作为超低功耗加速度计， ADXL362能够以12.5Hz(最小值)至400 Hz(最大值)的数据速率持续输出数据，同时功耗仍然低于3 μA。由于能够以所有数据速率针对其传感器的全部带宽持续采样，因此 ADXL362不会出现欠采样和混叠现象。


• 唤醒模式非常适合以极低功耗(电源电压为2.0 V时功耗为270 nA)简单地检测是否存在运动。唤醒模式在实施运动激活开关时尤其有用，可让系统的其余部分保持关断，直至检测到运动。在唤醒模式下，每秒只进行6次加速度测量，以确定是否存在运动，这样可将功耗降至非常低的水平。在唤醒模式下，除了活动定时器，可以使用加速度计的其它所有功能。可访问所有寄存器，也可从器件中获取实时数据。

CN0274 评估软件采用 ADXL362的唤醒模式。也就是说，检测到运动之前， ADXL362会保持休眠状态，而一旦检测到运动就会进入测量模式。

功率/噪声权衡

ADXL362提供了几个用于降低噪声的选项，但使用时会造成功耗略微增加。

带宽为100 Hz时， ADXL362在正常工作状态下的噪声性能通常为7 LSB rms，这对于大多数应用都合适，具体取决于带宽和所需的分辨率。对于要求噪声更低的情况，ADXL362提供了两种低噪声工作模式，以略微增加功耗为代价来降低噪声。

表1显示了正常工作模式以及两种低噪声模式下的功耗值和噪声密度，其中电源电压典型值为3.3 V。

CN0274 评估软件采用 ADXL362的正常工作噪声模式。

运动检测

ADXL362的内置逻辑可检测到运动(加速度超过特定阈值)和静止(加速度未超过特定阈值)。

对运动或静止事件的检测由状态寄存器指示，也可配置用于产生中断。此外，器件的运动状态(即器件是在运动还是静止)通过AWAKE bit指示。

加速度计处于测量模式或唤醒模式时，可以使用运动和静止检测。

运动检测

加速度在用户指定的一段时间内始终高于指定阈值时，即检测到运动事件。有两种运动检测事件：绝对运动检测和参考运动检测。

• 使用绝对运动检测时，将加速度样本与用户设置的阈值进行比较，以确定是否存在运动。例如，如果阈值设为0.5 g，任意轴上的加速度为1 g并且持续时间超过了用户定义的运动时间，则置位运动状态。在许多应用中，根据与参考点或方位的偏差进行运动检测优于根据绝对阈值进行运动检测。由于这样可消除重力导致的静态1 g对运动检测的影响，因此会特别有用。加速度计静止时，虽然本身没有在运动，但其输出仍然可以达到1 g。使用绝对运动检测时，如果阈值设为小于1 g，立刻就能检测到运动。


• 在 参考运动检测模式下，当加速度样本在用户定义的时间段内比内部定义的参考值至少高出用户设置的数量时，则检测到运动。启用运动检测后会计算参考值，并 且获取的第一个样本将用作参考点。只有加速度与此初始方位的偏差足够大时，才会检测到运动。参考配置使运动检测非常敏感，甚至可以检测到最细微的运动事件。

CN0274 评估软件在搜索运动时采用参考工作模式。

静止检测

加速度在指定的时间段内始终低于指定阈值时，即检测到静止事件。有两种非运动检测事件：绝对静止检测和参考静止检测。

• 使用 绝对静止检测时，在用户设置的时间内将加速度样本与用户设置的阈值进行比较，以确定是否不存在运动。


• 使用参考静止检时，则在用户定义的时间内将加速度样本与用户指定的参考进行比较。器件首次进入唤醒状态时，第一个样本将用作参考点，并且围绕该点应用阈值。如果加速度保持在阈值范围内，器件将进入休眠状态。如果加速度值超出阈值范围，该点将用作新的参考，然后针对该点重新应用阈值。

CN0274 评估软件在搜索静止时采用参考工作模式。

链接运动和静止检测

可以同时使用运动和静止检测功能，然后通过主机处理器手动处理，或者也可以配置为通过多种方式进行交互：

• 在默认模式下，运动和静止检测功能都处于使能状态，并且所有中断都必须由主机处理器处理；也就是说，处理器必须读取每个中断，然后才能清零并再次使用。


• 在链接模式下，运动和静止检测功能彼此链接，以致在任意给定时间都只有一项功能处于使能状态。一旦检测到运动，就会认为器件处于运动或唤醒状态，然后不再搜索运动：下一个事件预期为静止，因此只有静止检测起作用。如果检测到静止，则认为器件处于静止或休眠状态。此时下一个事件预期为运动，于是只有运动检测起作用。在此模式下，主机处理器必须处理每个中断，然后使能下一操作。


• 在环路模式下，运动检测的工作方式与上文所述链接模式相同；但是，无需由主机处理器处理中断。此配置简化了常用运动检测的实施，并且通过减少总线通信功耗而增强了省电效果。


• 如果在链接模式或环路模式下使能自动休眠模式，则在检测到静止事件后，器件会自主进入唤醒模式，而一旦检测到运动事件，则重新进入测量模式。

CN0274 评估软件采用自动休眠和环路模式来演示 ADXL362的功能。

AWAKE Bit

AWAKE bit是一个状态位，用于指示ADXL362是处于唤醒状态还是休眠状态。检测到运动条件表明器件处于唤醒状态，检测到静止条件则表明器件处于休眠状态。

唤醒信号可映射至INT1或INT2引脚，因此可用作状态输出，以便根据加速度计的唤醒状态连接下游电路的电源或断开其电源连接。与环路模式一起使用时，此配置可以实现一种微小的自主运动激活开关。

如果下游电路的导通时间在可接受范围内，则这种运动开关配置能够消除应用中其余部分的待机功耗，从而显著降低系统级功耗。这种待机功耗通常会超过ADXL362的整个功耗范围。

中断

ADXL362的一些内置功能可触发中断，以便针对某些状态条件向主机处理器发出提醒。

通过设置INTMAP1和INTMAP2寄存器中的适当位，可将中断映射至两个指定输出引脚(INT1和INT2)之一(或两者)。所有功能都可以同时使用。如果多个中断映射至一个引脚，则中断的OR组合决定该引脚的状态

如果没有功能映射至某个中断引脚，则该引脚自动配置为高阻抗状态(高阻态)。引脚也会在复位后进入此状态

检测到特定状态条件时，则会激活该条件映射至的引脚。默认情况下，引脚配置为高电平有效，因此激活后引脚会变为高电平。不过，通过在适当的INTMAP寄存器中设置INT_LOW引脚，可以将配置切换为低电平有效

INT引脚可连接到主机处理器的中断输入端，并以中断程序对中断作出响应。由于多个功能可映射至同一个引脚，STATUS寄存器可用于确定导致中断触发的具体条件

CN0274 评估软件对ADXL362的配置为：检测到运动后，INT1引脚为高电平；检测到静止后，INT1引脚为低电平。

测试结果

所有测试均使用 EVAL-CN0274-SDPZ 和 EVAL-SDP-CS1Z执行。演示器件的功能时，运动阈值设置为0.5 g，静止阈值设置为0.75 g，而静止样本数量设置为20。搜索运动时，只需任意轴上的一个加速度样本越过阈值。

开始时，将电路定位为电池组与桌子贴合，印刷电路板(PCB)可沿任意方向缓慢旋转90°，从而在接近与初始方位垂直的位置这一过程中使得加速度越过阈值。

图2显示了CN0274 评估软件的屏幕截图，其中ADXL362起初处于休眠状态并搜索运动。接着，样本11越过阈值时，ADXL362进入唤醒状态并开始搜索静止。阈值进行调整，以表明器件正在搜索静止。

为了更好地展示，已利用图上的单选按钮禁用了X轴和Z轴曲线。

ADP195的输出(或中断引脚本身)通过数字万用表测量。 ADXL362处于唤醒状态时，中断变为高电平并将ADP195的EN引脚驱动至高电平，进而将MOSFET的栅极驱动至低电平，从而导致开关闭合，这样就会接通任意下游电路与电源的连接。相反，ADXL362处于休眠状态时，中断会将ADP195的EN引脚驱动至低电平，进而将MOSFET的栅极驱动至高电平，从而导致开关断开。

PCB布局考虑

在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。本系统的PCB采用4层板堆叠而成，具有较大面积的接地层和电源层多边形。有关布局和接地的详细论述，请参见MT-031 指南 ；有关去耦技术的信息，请参见 MT-101 指南。

ADXL362 的电源应当用1 μF 和0.1 μF电容去耦，以适当抑制噪声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近器件。对于所有高频去耦，建议使用陶瓷电容。

电源走线应尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。通过数字地将时钟及其它快速开关数字信号屏蔽起来，使之不影响电路板的其它器件。PCB的照片如图3所示。

有关本电路笔记的完整设计支持包， 请访问www.analog.com/CN0274-DesignSupport。

图1中的电路采用16位、100 kSPS逐次逼近型模数转换器 (ADC)系统，集成驱动放大器，针对最高1 kHz输入信号和 100 kSPS采样速率、功耗低至7.35 mW的系统而优化。

通常，选择高性能逐次逼近型ADC的驱动放大器处理宽范 围的输入频率。然而，当某个应用需要更低的采样速率 时，便可节省大量功耗，因为降低采样速率会相应地降低 ADC功耗。

若要完全利用通过降低ADC采样速率使功耗下降的优势， 则需要使用低带宽、低功耗放大器。

例如，推荐80 MHz的ADA4841-1 运算放大器(10 V时功耗为 12 mW)与AD7988-1 16位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC(100 kSPS时功耗为0.7 mW)一同使用。包括ADR435 基准电压源 (7.5 V时功耗为4.65 mW)在内的总系统功耗在100 kSPS时为 17.35 mW。

对于最高1 kHz的输入带宽和100 kSPS的采样速率，AD8641 3 MHz运算放大器(10 V时功耗为2 mW)可提供出色的信噪 比(SNR)和总谐波失真(THD)性能，并且在100 kSPS时可将 总系统功耗从17.35 mW降低至7.35 mW，降幅达58%。

图1所示电路是一个完整的单电源、低噪声LED电流源驱动器，由一个16位数模转换器(DAC)控制。该系统的积分和差分非线性误差为±1 LSB，0.1 Hz至10 Hz噪声小于45 nA p-p，满量程输出电流为20 mA。

大多数轨到轨输入运算放大器都有交越非线性误差，其在16位系统中可能高达4到5个LSB，而这个创新的输出驱动放大器消除了这一误差

该业界领先的解决方案非常适合于脉搏血氧仪应用，其中叠加于LED亮度水平上的1/f噪声会影响整体测量的精度。

采用5 V单电源供电时，三个有源器件的总功耗典型值小于20 mW。

图1. ±1 LSB线性16位LED电流源驱动器(原理示意图，未显示去耦和所有连接)

图1中的电路是一个超低功耗、多通道数据采集系统，可采用光伏(PV)电池或热电发生器(TEG)供电。该电路采用业界功耗最低、多通道、12位逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)AD7091R-5,以及基于升压调节器 ADP5090的高效能量采集电路。采样速率为22 kSPS时，ADC典型功耗为100 μW，电源为3 V。对于1 kHz输入信号而言，典型信噪比(SNR)为68 dB。

这些器件组合具有低功耗和小尺寸的特点，适合便携式低功耗应用，尤其适合可穿戴和自供电设备。