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了解系統(tǒng)需求和設(shè)計選項 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、分量和磁場強度，而將傳感器設(shè)備至結(jié)尾運用后，它們的增益和偏移差錯都能夠變得恰當(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，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)尾運用后，它們的增益和偏移差錯都能夠變得恰當(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。這些要素能夠單個或一起形成很大的量測差錯，因而傳感器需要專屬的信號調(diào)理電路來擔(dān)任差錯抵償、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用。  

模仿數(shù)字變換器 可依需要與運用規(guī)模來區(qū)別  

廣大的動態(tài)量測規(guī)模是許多傳感器運用的另一項一起特性，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項和第2項需要卻將挑選規(guī)模約束在積分型模仿數(shù)字變換器，因為相較于非積分型模仿數(shù)字變換器，它可供給更高分辨率和更強壯效能。積分型模仿數(shù)字變換器會將多個樣本(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\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)擷取運用的歡送，因為它們供給最強壯的效能、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，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，若比擬器的輸入大于零，比擬器就會發(fā)作一個1輸出，它則會在加法器的負(fù)輸入端發(fā)作+VREF脈沖，這個進(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)整個變換順序。可是當(dāng)Δ-Σ變換器被多任務(wù)時，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纬苫逇庥绊懀行┕┴浬虝┙o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。  

因為它們的分辨率很高，噪聲衰減才干很強，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作辦法之一則是運用由高效能模仿數(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，它包羅兩個高阻抗的輸入緩沖器、一個位移式(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，運用者可運用它設(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「零延遲工夫」的單周期濾波器則專門撐持多任務(wù)運用。運用內(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。運用這些硬件聯(lián)機和恰當(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功用可隨體系運用而調(diào)整  

微操控器供給的功用會跟著結(jié)尾運用而改動，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，常見的辦法是運用下列方式的多項式級數(shù)：  

Z = a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³ + …a_nxⁿ  

方程式1：多項式線性化公式  

其間：  

Z = 換能器輸出電壓  

an = 與類型有關(guān)的多項式系數(shù)  

n = 多項式的階數(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就是運用乘加功用核算方程式1以供給三階抵償?shù)膶嵺`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乘加運算周期，在50 MIPS速率下，每個信道履行每一次運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壯的彈性