一文詳解傳感器數(shù)據(jù)采集

傳感器廣泛使用，既可以作為微控制器的一部分，也可以單獨(dú)作為嵌入式系統(tǒng)使用。然而，一種更高效的電路實(shí)現(xiàn)將高性能模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器與集成MCU相結(jié)合。

大多數(shù)傳感器需要信號(hào)調(diào)理才能消除潛在的測(cè)量誤差源。這些誤差源可能包括增益和偏移誤差，環(huán)境噪聲或固有噪聲以及傳感器傳遞函數(shù)本身的非線性。許多現(xiàn)代應(yīng)用還需要數(shù)字格式的條件傳感器數(shù)據(jù)。對(duì)于具有多個(gè)傳感器的系統(tǒng)，與每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處的單獨(dú)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路相關(guān)聯(lián)的開銷可能是有問(wèn)題的，從而增加了最終應(yīng)用的維護(hù)，校準(zhǔn)和成本開銷。

無(wú)論是何種類型，無(wú)論是熱電偶，電阻溫度檢測(cè)器，稱重傳感器還是磁場(chǎng)傳感器，傳感器通常都需要一個(gè)激勵(lì)（偏置）源，用于信號(hào)生成和調(diào)節(jié)電路，以補(bǔ)償測(cè)量誤差。來(lái)源數(shù)量。

雖然這些傳感器測(cè)量的溫度，重量和磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)不同，但它們具有低信號(hào)增益，幅度和非線性的共同電氣特性。一旦安裝在最終應(yīng)用中，增益和偏移誤差也可能變得明顯，強(qiáng)制校準(zhǔn)。許多傳感器表現(xiàn)出高（或可變）輸出阻抗，使它們?nèi)菀壮霈F(xiàn)信號(hào)負(fù)載和耦合噪聲問(wèn)題。這些因素單獨(dú)或組合使用會(huì)增加顯著的測(cè)量誤差。因此，傳感器需要專用的信號(hào)調(diào)理電路，以便在系統(tǒng)使用之前進(jìn)行誤差補(bǔ)償，濾波和緩沖以及模數(shù)轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

寬動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍是許多傳感器應(yīng)用的另一個(gè)共同特征。例如，考慮一個(gè)卡車秤，其中貨物的重量必須測(cè)量到0.1磅以內(nèi)。實(shí)用的稱重技術(shù)包括稱重裝載的卡車并減去空卡車的已知（恒定）重量。具有25,000磅滿量程的合適的汽車衡必須具有19位的A/D轉(zhuǎn)換器分辨率，以滿足0.1磅的分辨率要求。在氣體檢測(cè)和高精度羅盤系統(tǒng)中使用的傳感器中可以找到相同動(dòng)態(tài)范圍要求的其他示例?？紤]到這些不同的要求并考慮到可能需要寬動(dòng)態(tài)范圍，傳感器A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。

有許多A/D轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇晒┻x擇，包括逐次逼近轉(zhuǎn)換器（SAR），流水線轉(zhuǎn)換器，閃存轉(zhuǎn)換器和斜率轉(zhuǎn)換器。但是，對(duì)高分辨率和高信噪比的要求限制了對(duì)集成A/D轉(zhuǎn)換器的選擇。

集成A/D轉(zhuǎn)換器可以對(duì)多個(gè)樣本（或長(zhǎng)時(shí)間段）的測(cè)量過(guò)程進(jìn)行平均，從而在降低噪聲的同時(shí)提高分辨率。雖然集成A/D轉(zhuǎn)換器比非集成類型慢得多，但它們對(duì)于典型的傳感器應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠快。集成A/D轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的示例是delta-sigma，雙和多斜率積分器和過(guò)采樣SAR A/D轉(zhuǎn)換器。其中，delta-sigma轉(zhuǎn)換器因其最佳分辨率，線性度，噪聲性能，成本和工作功率而成為傳感器數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中最受歡迎的。

Δ-Σ型

delta-sigma A/D轉(zhuǎn)換器是一種過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器，但過(guò)采樣只是有助于轉(zhuǎn)換器整體性能的機(jī)制之一。 delta-sigma轉(zhuǎn)換器將過(guò)采樣與噪聲整形和數(shù)字濾波相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)最佳分辨率和噪聲衰減。它幾乎完全是數(shù)字化的，使其能夠享受現(xiàn)代數(shù)字電子產(chǎn)品的規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性。這意味著體積小，安裝成本低 - 這是大多數(shù)傳感器接口應(yīng)用中的重要因素。

delta-sigma A/D轉(zhuǎn)換器架構(gòu)由調(diào)制器和數(shù)字濾波器/抽取器組成。調(diào)制器由積分器，時(shí)鐘比較器和1位D/A轉(zhuǎn)換器組成。積分器平均時(shí)間平均D/A轉(zhuǎn)換器輸出與VIN之間的差值，并將結(jié)果應(yīng)用于比較器輸入。當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)，比較器在其輸入大于0時(shí)產(chǎn)生1，這在夏天的負(fù)輸入產(chǎn)生+ VREF脈沖。該過(guò)程以等于采樣時(shí)鐘頻率的速率繼續(xù)，并產(chǎn)生1和0的連續(xù)比特流。在該比特流中，1s的數(shù)量與給定時(shí)間段內(nèi)的總比特?cái)?shù)（即1s密度）的比率等于VIN與VREF的比率。積分器的平均作用還充當(dāng)差信號(hào)的低通濾波器，降低低輸入頻率下的量化噪聲，并通過(guò)將噪聲推出測(cè)量發(fā)生的頻率范圍來(lái)重新整形噪聲。

數(shù)字濾波器然后去除重新形成的量化噪聲，同時(shí)抽取器計(jì)算調(diào)制器數(shù)據(jù)的加權(quán)移動(dòng)平均值以完成轉(zhuǎn)換過(guò)程。但是，當(dāng)delta-sigma轉(zhuǎn)換器被多路復(fù)用時(shí)，必須刷新（清除）抽取器和濾波器內(nèi)的數(shù)據(jù)以防止信道之間的信號(hào)串?dāng)_。沖洗和重新填充濾波器/抽取器的時(shí)間可能相當(dāng)大，通常稱為延遲或“群延遲”。許多系統(tǒng)具有用于模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)間預(yù)算，其可能受到延遲的不利影響。有些供應(yīng)商提供降低延遲的delta-sigma轉(zhuǎn)換器，可以在沒有延遲的情況下交換某種程度的噪聲性能。

由于其高分辨率和噪聲衰減，delta-sigma A/D轉(zhuǎn)換器在直流和低頻應(yīng)用（如傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換）中變得流行，并且可從許多半導(dǎo)體供應(yīng)商處獲得。

策略

傳感器A/D轉(zhuǎn)換器可以本地安裝或遠(yuǎn)程安裝在傳感器上，電路可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)方式近年來(lái)，在每個(gè)傳感器站點(diǎn)（IEEE 1451）具有本地調(diào)節(jié)的分布式系統(tǒng)已經(jīng)變得流行。其中一種更高效的電路實(shí)現(xiàn)使用“智能A/D轉(zhuǎn)換器”，它由帶有集成MCU的高性能A/D轉(zhuǎn)換器組成。迄今為止的示例可以將帶有模擬和數(shù)字外設(shè)的完整24位delta-sigma A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)和基于50 Mips ISP閃存的8051 MCU集成在一個(gè)5 x 5 mm封裝中。通過(guò)包含各種硬件連接和適當(dāng)?shù)墓碳?lái)實(shí)現(xiàn)線性化，校準(zhǔn)和串行通信，可以執(zhí)行傳感器調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的所有方面。

系統(tǒng)固件
MCU提供的功能因最終應(yīng)用而異。這些功能可能涉及測(cè)量，控制，診斷或其他功能。大多數(shù)應(yīng)用需要測(cè)量（包括校準(zhǔn)和線性化），通常是數(shù)據(jù)格式化和某種形式的通信接口。

雖然增益和偏移校準(zhǔn)由專用板載硬件執(zhí)行，但必須在固件中執(zhí)行線性化。線性化的經(jīng)典方法使用冪級(jí)數(shù)多項(xiàng)式方程。

將它拉在一起

A/D轉(zhuǎn)換器/MCU組合IC上的其他外設(shè)可包括串行端口，定時(shí)器和模擬比較器，以擴(kuò)展系統(tǒng)功能，超越傳感器信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換。例如，板載串行端口可以與其他系統(tǒng)處理器進(jìn)行通信，以進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，控制和數(shù)據(jù)交換。串行通信和系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存的組合可在系統(tǒng)要求發(fā)生變化時(shí)輕松進(jìn)行系統(tǒng)固件升級(jí)?？梢詫?shí)現(xiàn)其他系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，例如智能電源管理和傳感器診斷。所有這些策略都可以降低系統(tǒng)擁有成本并提高系統(tǒng)可用性和性能。