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了解系統(tǒng)需求和設(shè)計(jì)選項(xiàng) 智能型MCU可降低傳感器成本

各式傳感器所量測的參數(shù)皆有所不一樣,，例如溫度、分量和磁場強(qiáng)度,，而將傳感器設(shè)備至結(jié)尾運(yùn)用后,，它們的增益和偏移差錯(cuò)都能夠變得恰當(dāng)顯著，需要進(jìn)行調(diào)校,。因而，將不一樣需要以及關(guān)于廣大動態(tài)規(guī)模的需要都列入思考，則傳感器內(nèi)的模仿數(shù)字變換器重要性將會被凸顯,。  

無論類型為何，傳感器一般都需要鼓勵源(偏壓源)來發(fā)作信號,，它還需要調(diào)理電路抵償不一樣來歷的量測差錯(cuò),，就以表1所示的傳感器為例。  

固然這些傳感器所量測的參數(shù)有所不一樣,，例如溫度,、分量和磁場強(qiáng)度，它們卻有許多一起的電氣特性：信號增益,、振幅以及非線性都很小,。將傳感器設(shè)備至結(jié)尾運(yùn)用后，它們的增益和偏移差錯(cuò)都能夠變得恰當(dāng)顯著,，需要進(jìn)行調(diào)校,。許多傳感器的輸出阻抗很高(或會改動)，使它們很簡單呈現(xiàn)信號負(fù)載效應(yīng)(signal loading)以及噪聲耦合等問題,，如圖1所示,。這些要素能夠單個(gè)或一起形成很大的量測差錯(cuò)，因而傳感器需要專屬的信號調(diào)理電路來擔(dān)任差錯(cuò)抵償,、濾波和緩沖以及模仿至數(shù)字變換(ADC),，然后再將感測值供給給體系運(yùn)用。  

模仿數(shù)字變換器 可依需要與運(yùn)用規(guī)模來區(qū)別  

廣大的動態(tài)量測規(guī)模是許多傳感器運(yùn)用的另一項(xiàng)一起特性,，就以貨車地磅體系為例,，假定它關(guān)于貨車載重的量測精確度須到達(dá)0.1磅，那么辦法之一是先丈量貨車載貨分量,，再扣掉已知(固定)的空車分量,。若地磅體系的量測規(guī)模是25,000磅(12.5噸)，模仿數(shù)字變換器的分辨率就要到達(dá)19位,，才干契合0.1磅的分辨率需要,。許多其它運(yùn)用也有著相同的動態(tài)規(guī)模需要，例如氣體檢測設(shè)備,、高精準(zhǔn)度羅盤體系和其它設(shè)備所運(yùn)用的傳感器,。  

將這些不一樣需要以及關(guān)于廣大動態(tài)規(guī)模的能夠需要都列入思考，那么傳感器的模仿數(shù)字變換功用在實(shí)踐上將是具有表2所示特性的模仿數(shù)字變換器體系,。  

可供挑選的模仿數(shù)字變換器架構(gòu)有許多種,，包羅逐次近似型變換器(SAR),、管線式變換器(Pipelined Converters)、疾速變換器(Flash Converter)和斜率型變換器(Slope Converter),，可是表2的第1項(xiàng)和第2項(xiàng)需要卻將挑選規(guī)模約束在積分型模仿數(shù)字變換器,，因?yàn)橄噍^于非積分型模仿數(shù)字變換器，它可供給更高分辨率和更強(qiáng)壯效能,。積分型模仿數(shù)字變換器會將多個(gè)樣本(或一段長工夫內(nèi))的量測順序均勻,，進(jìn)而添加分辨率和削減噪聲。固然積分型模仿數(shù)字變換器的速度遠(yuǎn)慢于非積分型電路,，它們?nèi)宰阋苑笱艹Ｒ姷膫鞲衅鬟\(yùn)用,。積分型模仿數(shù)字變換器架構(gòu)的典范包羅Δ-Σ、雙斜率和多斜率型積分器以及超取樣SAR模仿數(shù)字變換器,，在這些變換器中,，Δ-Σ變換器最受傳感器數(shù)據(jù)擷取運(yùn)用的歡送，因?yàn)樗鼈児┙o最強(qiáng)壯的效能,、最杰出的線性特性以及最低的效能,、本錢和操作功耗。  

Δ-Σ模仿數(shù)字變換器 具有數(shù)字化技能優(yōu)勢  

Δ-Σ模仿數(shù)字變換器(圖2)是一種超取樣變換器,，但超取樣架構(gòu)僅僅關(guān)于變換器全體效能做出奉獻(xiàn)的緣由之一,。  

Δ-Σ模仿數(shù)字變換器把超取樣、噪聲重整(noise shaping)和數(shù)字濾波聯(lián)系在一起,，進(jìn)而供給最理想的分辨率和噪聲衰減才干,。Δ-Σ模仿數(shù)字變換器幾乎是全數(shù)字架構(gòu)，故能享用現(xiàn)代數(shù)字電子技能削減體積和本錢的優(yōu)點(diǎn),，這恰當(dāng)于更小的產(chǎn)物體積和更低的設(shè)備本錢,，這兩者在絕大大都的傳感器界面運(yùn)用中都是重要要素。  

Δ-Σ模仿數(shù)字變換器架構(gòu)是由調(diào)變器和數(shù)字濾波器/抽樣器(Decimator)所組成,，調(diào)變器包羅積分器,、頻率驅(qū)動式比擬器(Clocked Comparator)以及1位數(shù)字模仿變換器。積分器管帳算數(shù)字模仿變換器均勻工夫輸出與VIN之間的均勻相差值,，然后將成果送至比擬器的輸入,。遭到頻率驅(qū)動時(shí),，若比擬器的輸入大于零,，比擬器就會發(fā)作一個(gè)1輸出，它則會在加法器的負(fù)輸入端發(fā)作+VREF脈沖,，這個(gè)進(jìn)程會以恰當(dāng)于取樣頻率頻率的速度不斷履行,，進(jìn)而發(fā)作連續(xù)的0和1位串流；在這個(gè)位串流里,，1占總位數(shù)的份額(也就是位1的密度)在一段工夫后會等于VIN與VREF的份額,。積分器的均勻舉措還能做為差分信號的低通濾波器,、削減低輸入頻率的量化噪聲，并藉由將噪聲推到量測頻率規(guī)模外來完結(jié)噪聲重整(圖3),。  

數(shù)字濾波器接著會除掉重整后的量化噪聲,，抽樣器則管帳算調(diào)變器數(shù)據(jù)的加權(quán)挪動均勻值以完結(jié)整個(gè)變換順序?？墒钱?dāng)Δ-Σ變換器被多任務(wù)時(shí),，抽樣器和濾波器內(nèi)的數(shù)據(jù)必須先悉數(shù)送出(鏟除)，防止通道之間發(fā)作「串訊」表象,。濾波器/抽樣器需要很長工夫才干完結(jié)數(shù)據(jù)的鏟除和重填,，一般這又稱為延遲工夫或群組延遲工夫(group delay)。許多體系關(guān)于模仿數(shù)據(jù)變換都有臨界工夫預(yù)算(critical time budget),，延遲工夫能夠?qū)λ纬苫逇庥绊?，有些供貨商會供給延遲工夫較短的Δ-Σ變換器，這些變換器會獻(xiàn)身部份噪聲效能來縮短延遲工夫,。  

因?yàn)樗鼈兊姆直媛屎芨?，噪聲衰減才干很強(qiáng)，Δ-Σ變換器十分遭到傳感器數(shù)據(jù)變換等直流和低頻運(yùn)用的歡送,，許多半導(dǎo)體廠商也已供給這類產(chǎn)物,。Δ-Σ變換器的代替產(chǎn)物包羅選用早期技能的雙斜率型和多斜率型模仿數(shù)字變換器以及選用較疾速變換器(例如SAR)的超取樣技能，但它們的效能,、體積,、功耗和本錢都不如Δ-Σ模仿數(shù)字變換器。  

模仿數(shù)字變換器有數(shù)種實(shí)作辦法  

傳感器的模仿數(shù)字變換器可以設(shè)備在接近或遠(yuǎn)離傳感器的方位,，它的電路也有數(shù)種不一樣實(shí)作辦法,。近幾年來，在傳感器上直接設(shè)備信號調(diào)理電路的分布式體系已恰當(dāng)遭到歡送,，而功率較高的電路實(shí)作辦法之一則是運(yùn)用由高效能模仿數(shù)字變換器和結(jié)合式微操控器所組成的「智能型模仿數(shù)字變換器」,，例如Silicon Laboratories也開端供給選用小型封裝的傳感器接口解決方案。  

舉Silicon Laboratories的C8051F350為例,，該產(chǎn)物為24位Δ-Σ模仿數(shù)字變換器體系,，內(nèi)建模仿及數(shù)字外圍和以ISP閃存為根底、運(yùn)算效能到達(dá)50MIPS的8051微操控器,，并選用5 ×5公分的封裝,。在圖4典范中，橋式換能器直連續(xù)至F350,，偏壓則由內(nèi)建的8位電流方式數(shù)字模仿變換器供給,。橋式電路將其輸出信號送至全差動式信號途徑，它包羅兩個(gè)高阻抗的輸入緩沖器、一個(gè)位移式(Tare)數(shù)字模仿變換器和16步階的軟件可順序增益放大器(PGA),，最大增益值為128倍,。這顆24位Δ-Σ模仿數(shù)字變換器還供給可順序設(shè)定的抽樣比，運(yùn)用者可運(yùn)用它設(shè)定所要的變換速率和噪聲衰減,。這顆模仿數(shù)字變換器內(nèi)建2個(gè)可由軟件挑選的濾波器：SINC3濾波器可供給最大的噪聲衰減才干,，另一個(gè)「零延遲工夫」的單周期濾波器則專門撐持多任務(wù)運(yùn)用。運(yùn)用內(nèi)建的自我校準(zhǔn)和體系校準(zhǔn)硬件,，變換器可以依據(jù)絕對值(例如0和VREF)或是體系特定電壓的相對值來調(diào)整增益和偏移值,。運(yùn)用這些硬件聯(lián)機(jī)和恰當(dāng)?shù)能愺w來供給線性化、校準(zhǔn)和串行通訊功用,，體系就能履行所有的傳感器信號調(diào)理和數(shù)據(jù)變換,。表3即為F350特性和表2內(nèi)容的比擬。  

MCU功用可隨體系運(yùn)用而調(diào)整  

微操控器供給的功用會跟著結(jié)尾運(yùn)用而改動,，這些功用包羅量測,、操控、診斷或是其它功用,。大都運(yùn)用都需要量測(包羅校準(zhǔn)和線性化),、常用的數(shù)據(jù)格式化功用以及某種型式的通訊界面。  

固然增益和偏移的校準(zhǔn)是由內(nèi)建的專屬硬件履行,，線性化卻必須由軔體擔(dān)任,，常見的辦法是運(yùn)用下列方式的多項(xiàng)式級數(shù)：  

Z = a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³ + …a_nxⁿ  

方程式1：多項(xiàng)式線性化公式  

其間：  

Z = 換能器輸出電壓  

an = 與類型有關(guān)的多項(xiàng)式系數(shù)  

n = 多項(xiàng)式的階數(shù)  

x = 自變量(例如溫度感測組件的溫度值)  

IEEE、NIST和其它許多安排都對準(zhǔn)不一樣傳感器供給方程式1的系數(shù)表格,。如前所述,，方程式1的核算量恰當(dāng)巨大，但它們可從頭寫成乘加運(yùn)算(MAC)的型式,，讓微操控器以更高功率完結(jié)這些核算,。表4就是運(yùn)用乘加功用核算方程式1以供給三階抵償?shù)膶?shí)踐描繪。  

重寫成：  

Z = a₀ + (a₁ + a₂ + a₃x)x)x  

從表4可看出,，三階線性抵償算法需要三個(gè)乘加運(yùn)算周期,，在50 MIPS速率下，每個(gè)信道履行每一次運(yùn)算的所需工夫還不到3微秒,。  

智能功用MCU 讓體系具延展性與彈性  

傳感器數(shù)據(jù)擷取需要最棒的模仿數(shù)字變換器,，特別當(dāng)它要履行線性化時(shí)更是如此,，包羅恰當(dāng)模仿前端的積分型變換器則是體系作業(yè)最佳化所不可或缺,。運(yùn)用微操控器直接在傳感器上添加智能功用的做法會影響每個(gè)傳感器的設(shè)備體積,、持有本錢、可靠性和功耗需要,，使得體系具有延展性和更強(qiáng)壯的彈性