數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方法與應用分析

數(shù)據(jù)采集是機器人和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關鍵功能。 從一個能量采集源向多個傳感器的數(shù)據(jù)捕捉子系統(tǒng)供電的能力，讓從更多場所捕捉數(shù)據(jù)成為可能，并降低充電或更換電池的需求。

多通道數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)可以使用太陽能電池或熱電發(fā)電 (TEG) 的熱能供電，但功耗是一個關鍵考慮因素。 使用超低功耗逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (SAR ADC)（例如 Analog Devices 的 12 位 AD7091R-5），也可以構(gòu)建此類具有較小外形的子系統(tǒng)。 這是一個越來越重要的考慮因素，因為數(shù)據(jù)采集板需要安裝到不提供主電源的較小位置。

圖 1 顯示了 AD7091R 與基于 Analog Devices 的 ADP5090 升壓穩(wěn)壓器的高能效收集電路結(jié)合的情況。這種升壓穩(wěn)壓器帶四個單端模擬傳感器輸入。 在最高 22 kSPS 采樣速率下采樣時，ADC 使用 3 V 單電源供電的典型功耗為 100 μW，且 1 kHz 輸入信號具有 68 dB 典型信噪比 (SNR)。

圖 1：將 AD7091 SAR ADC 與專為能量采集源經(jīng)過優(yōu)化的 ADP5090 升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合。

12 位 SAR ADC 使用 2.7 V 至 5.25 V 單電源，包括片內(nèi)轉(zhuǎn)換時鐘、準確的基準，以及在 100 kHz 標準模式和 400 kHz 快速模式下工作的 I2C 接口。 當需要額外濾波以便 MUXOUT 引腳上出現(xiàn)有源通道的輸入信號時，多路復用器輸出將使每個通道無需信號調(diào)節(jié)電路。 VIN 引腳前的濾波器具有大約 8.6 MHz 的截止頻率，可以在 ADC 輸入端消弱噪聲，并使用低串聯(lián)電阻值消減來自 ADC 的電荷反沖；還有一個大小合適的電容器，可拉出和灌入 ADC 的高頻電荷反沖。 如果不需更多濾波或信號調(diào)節(jié)，MUXOUT 引腳將直接連接至 ADCIN。

穩(wěn)定基準電壓對于數(shù)據(jù)采集而言至關重要，因此片載 2.5 V 基準在 REFIN/ REFOUT 引腳上可用，芯片可與此基準或外部應用的基準配合工作。 配置寄存器中的 P_DOWN LSB 位的邏輯狀態(tài)確定是否使用內(nèi)部基準。 當 P_DOWN LSB 位設置為 1 時，將為 ADC 選擇內(nèi)部基準。 當 P_DOWN LSB 位設置為 0 時，2.5 V 至 VDD 范圍的外部基準可通過 REFIN/ REFOUT 引腳連接到器件中，以減少抖動并提高準確度。

內(nèi)部基準電路由 2.5 V 帶隙基準和基準緩沖器組成，并且默認通電時禁用，因此可以使用外部基準。 那么，啟動時更改配置位可允許 2.5 V 內(nèi)部基準在 REFIN/REFOUT 引腳上使用，通常使用需要 50 ms 通電的 2.2 μF 電容器去耦至接地。 建議先緩沖內(nèi)部基準，然后再將其應用到系統(tǒng)中的其他地方。

轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集通過 I2C 接口和一個內(nèi)部振蕩器控制，數(shù)據(jù)可在轉(zhuǎn)換后讀取，以便在快速模式下達到 22.22 kSPS 最高吞吐率。

采樣模式使用 CONVST/GPO1 引腳，切換后會實現(xiàn) ADC 轉(zhuǎn)換，而命令模式則使用轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器的讀數(shù)開始轉(zhuǎn)換，以提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流。 但是，此器件還擁有自動循環(huán)模式，以便在自主模式下操作，從而能夠監(jiān)視超出用戶定義范圍的事件。 這特別適合設置警報條件。 這些模式如圖 2 中的 I2C 配置模式所示。

圖 2：Analog Devices 的 AD7091 中的模式配置表。

四個單端模擬輸入通道包括一個通道定序器，該通序器允許按照順序轉(zhuǎn)換通過預編程確定的選擇結(jié)果，用戶可利用片載配置寄存器設置不同的工作條件，例如電源管理、警報功能、忙碌指示、通道定序以及通用輸出引腳。 MUXOUT 和 ADCIN 引腳還允許在 ADC 采集數(shù)據(jù)前對多路復用器輸出進行信號調(diào)節(jié)。

AD7091R-5 使用兩個電源引腳，這對能量收集電源有一定影響。 VDRIVE 允許直接連接 1.8 V 至 5.25 V 之間的任何邏輯，但為了減少所需電源數(shù)量，可以將 VDRIVE 和 VDD 連接在一起。

此外，ADC 在寬頻率范圍內(nèi)對電源變化不敏感，因此可輕松使用能量收集源。 ADC 會在每個轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時自動掉電，這意味著，電源會隨著采樣率呈線性擴展，自動掉電功能支持甚至是幾赫茲的低采樣率，以滿足能耗非常低的應用。

然后與 ADP5090 集成升壓穩(wěn)壓器結(jié)合，轉(zhuǎn)換來自從光電池或熱電發(fā)電機的 DC 電源，用于向充電電池或超級電容器等存儲元件充電。 圖 3 中所示的 CN-0372 板使用超級電容器，為電子器件和無電池系統(tǒng)供電。

圖 3：CN-0372 評估板將 SAR ADC、升壓轉(zhuǎn)換器和放大器、電源轉(zhuǎn)換器結(jié)合在一起。

該板采用 16 μW 至 200 mW 輸入電源，工作損耗不足 1 微瓦。 利用內(nèi)部冷啟動電路，該整流器可在低至 380 mV 的輸入電壓下開始工作。 此解決方案無需外部電池向電路供電，而且能充分使用可用的可收集能量。

通過感測 VIN 引腳的輸入電壓，控制環(huán)路會將輸入電壓紋波保持在固定范圍，以維持穩(wěn)定的 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換。 輸入電壓的 VIN 感測和可編程調(diào)節(jié)點允許從光電池或 TEG 收集器收集最高的能量。

對于太陽能電池，最低的可編程工作閾值 (MINOP) 可在低光照條件下支持升壓關斷，同時，充電控制功能可通過監(jiān)視電池電壓來保護可充電的蓄能器件，具體包括可編程充電端接電壓和放電關斷電壓。

圖 4 中的電路可將電源從連接的能量源轉(zhuǎn)換至 J4 端子，將電荷存儲在超級電容器 (C26) 中，并通過 SYS 電壓輸入向整個電路供電。

圖 4：從光電池或熱電發(fā)電機轉(zhuǎn)換能量，以驅(qū)動四通道數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

在 ENERGY_IN 引腳引入從光電池或 TEG 收集的能量。 當此電壓超過 380 mV 時，芯片會進入冷啟動狀態(tài)，直到主要升壓器件啟用，這時 SYS 電壓超過通常為 1.93 V 的 VSYS_TH。PGOOD 上的邏輯高電平等于 SYS 電壓，并且當達到電池端子電壓后，主要升壓充電器關斷。

這讓穩(wěn)壓器可以在脈沖頻率模式 (PFM) 下工作，將存儲在輸入電容器中的能量傳輸至 SYS 以及 50 mF、3.5 V 超級電容器 (C26)。 PGOOD 閾值由外部連接器設置，表示 SYS 電壓處于可接受的電壓水平。

ADP5090 還配備有電池過度充電和深度放電保護閾值，此閾值也由外部電阻器設置。

評估該電路

將低功耗、高阻抗的 DC 電源（例如光電池或 TEG）連接至 J4 端子，然后將 SL4 和 SL5 置于位置 A，可以將 ADP5090 能量收集電路用作系統(tǒng)電源。 基于 PC 的 ADI 評估軟件然后可與 EVAL-CN0372-PMDZ 板結(jié)合使用，并通過 USB 連接 PC。

結(jié)論

開發(fā)由環(huán)境能量供電的多通道數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)需要結(jié)合低功耗 ADC 和專為能量收集而優(yōu)化的升壓轉(zhuǎn)換器。 ADC 中的集成多路復用和濾波功能可以降低設計的復雜性，同時不同的配置選項（特別是基于自主閾值的模式）可實現(xiàn)以最低功耗監(jiān)視多個傳感器。 ADC 隨后與升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合，升壓轉(zhuǎn)換器在低電壓下使用，支持監(jiān)視充電電池或超級電容器以存儲所收集的能量。 評估板中整合了所有這些功能，設計人員可以了解如何捕捉數(shù)據(jù)。