传感器的用途非常广泛,它既可以作为微控制器的一部分,也可以单独应用在一个嵌入式系统中。不过,最有效的电路实现方案之一是把高性能的模/数转换器同一个集成微控制器结合在一起。
大部分传感器需要进行信号调节以消除潜在的测量误差源。这些误差源包括增益和偏移误差、环境或固有噪声、以及传感器自身传递函数的非线性。许多现代应用还需要可按数字格式调节的传感器数据。对于有多个传感器的系统而言,在各个传感器节点的独立调节和转换电路会造成一定开销,并可能成为问题,因为这增加了最终应用的维护、校准和成本负担。
不管是热电偶、电阻测温器、荷重计,还是磁场传感器,所有类型的传感器一般都需要一个用于信号生成和调节电路的激励(偏置)源,以补偿各种测量误差。
虽然这些传感器测量的是温度、重量和磁场强度等不同的参数,但它们都具有共同的电气特征:低信号增益、小幅值和非线性。一旦传感器安装在终端应用中,增益和偏移误差可能就会变得明显,从而必须进行校准。许多传感器表现出高(或可变的)输出阻抗特性,更易产生信号负载及耦合噪声问题。这些因素不管是单独出现还是一起出现,都会带来显著的测量误差。所以,传感器需要专用信号调节电路进行误差补偿、滤波和隔离,并在系统使用前完成A/D转换。
转换器的种类
宽动态测量范围是许多传感器应用的另一个共同特征。以一个测量精度小于0.1磅的卡车磅秤为例,其实际的称重方法是先测量载货卡车的重量,然后减去空车的已知(固定)重量。一个满量程为25,000磅的合格卡车磅秤必须具有19位的A/D转换器分辨率才能满足0.1磅的精度要求。其它需要相同宽动态测量范围的例子包括气体检测和高精度罗盘系统所用的传感器。考虑到这些多样化需求以及可能需要宽动态测量范围,传感器所用的A/D转换器实际上就是一个A/D转换器系统。
可供选择的A/D转换器有许多种,包括逐次逼近型转换器(SAR)、管线式转换器、快闪转换器和斜率转换器。然而,对高分辨率和高信噪比的需求将选择限制在了积分型A/D转换器。
积分型A/D转换器对许多采样(或长时间采样)的测量过程求平均值,从而在增加分辨率的同时减小了噪音。虽然积分型A/D转换器的速度比非积分型器件要慢许多,但其速度对典型的传感器应用来说绰绰有余。积分型A/D转换器架构包含delta-sigma型、双斜率和多斜率积分型以及过采样SAR型。在这些结构中,delta-sigma转换器以其最佳的分辨率、线性度、噪音特性、成本和负载功率等特性,在传感器数据采集应用中独领风骚。
delta-sigma型转换器
delta-sigma型A/D转换器是一种过采样转换器,而过采样只是提高该转换器总体性能的多种机制之一。delta-sigma型转换器将过采样同噪声整型和数字滤波相结合,以获得最好的分辨率和噪声衰减。它几乎是一个全数字化的器件,因而可以受益于现代数字电子尺寸不断缩小的规律。由此带来的小尺寸和低安装成本是大部分传感器接口应用中两个非常重要的因素。
delta-sigma型A/D转换器架构包括一个调制器和数字滤波/取样器。调制器由一个积分器、时钟型比较器和一位D/A转换器组成。该积分器对D/A转换器输出与VIN之间的差值取平均值,作为比较器的输入。开始工作时,如果比较器的输入大于0,那么它就产生一个“1”,亦即在求和器的负输入端产生一个+VREF脉冲。这个过程以采样时钟频率的速率持续进行,并产生连续的“1”和“0”位流。在这个位流中,给定时间内“1”的个数与总的位个数之比等于VIN和VREF之比。该积分器求平均值的行为还可作为差分信号的一个低通滤波器,通过将噪声推出测量频率范围从而减小低输入频率处的量化噪声并重整噪声。
然后,该数字滤波器去除经整型后的量化噪声,而取样器则对调制器数据进行加权移动平均计算,以完成转换过程。然而,当一个delta-sigma转换器被多路复用时,取样器和滤波器内的数据必须清空,以防止通道之间的信号串扰。清空和重新填满滤波器/取样器的时间可能相当长,通常被看作是滞后或“群延时”。许多系统为会因延时而遭受负面影响的模拟数据转换提供了一定的紧急时间预算。一些供应商则提供延迟较小的delta-sigma转换器,以牺牲一定程度的噪音特性来消除延时。
由于其高分辨率和噪声衰减特性,delta-sigma型A/D转换器在传感器数据转换等直流及低频应用中很流行,而且有许多半导体供应商提供此类产品。
传感器的A/D转换器既可以和传感器安装在一起,也可以远离传感器,而且电路的实现方式有很多种。可以在各个传感器节点进行本地调节的分布式系统(IEEE 1451)近几年来变得很流行。更有效的电路实现方法之一就是使用“智能A/D转换器”,它由高性能A/D转换器和一个集成MCU组成。具体的例子包括将一个带模拟及数字外设的完整24位delta-sigma A/D转换器系统与一个50Mips、基于闪存的8051 MCU整合在单个5×5 mm的封装中。借助各种不同的硬件连接和可实现线性化、校准和串行通信的合适固件,所有传感器调节和数据转换功能均可得以执行。
系统固件
MCU提供的功能随最终应用而改变,这些功能涉及测量、控制、诊断及其它。大部分应用需要测量(包括校准和线性化)、数据格式化和某种形式的通信接口。
尽管增益和偏移校准可由片上专用的硬件来完成,但线性化必须由固件来实现。实现线性化的经典方法是使用一个幂级数多项式方程。
为了使系统功能不局限于传感器信号调节和转换,A/D转换器/MCU的整合IC可以包括串口、定时器、模拟比较器等其它外设。例如,片上串口允许该IC同其它系统处理器通信,从而实现远程配置、控制和数据交换。
当系统需求发生改变时,串行通信和可编程闪存的结合可以使系统固件的升级变得容易。其它诸如智能电源管理和传感器诊断等优势也可以得到实现。所有这些策略都降低了系统成本并提高了系统的性能。
作者:Don Alfano
MCU应用工程总监
Silicon Laboratories公司
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