如何為傳感器選擇正確的數(shù)據(jù)類型

隨著環(huán)境傳感器在消費(fèi)者和工業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為傳感器選擇正確的數(shù)據(jù)類型變得越來(lái)越重要。大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)都采用線電壓工作，因此可以提供足夠的功率用于信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)低噪聲基底。這使得能夠?yàn)閭鞲衅魇褂酶叻直媛实?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器和更大的信號(hào)處理參考電壓。這些較大的范圍允許獲得和跟蹤更多比特的數(shù)據(jù)。另一方面，消費(fèi)者系統(tǒng)越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向電池操作，因此具有限制精度的功率限制以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程的速度。了解各種類型的轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)及其如何影響傳感器數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)M2M系統(tǒng)的關(guān)鍵。

了解數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

實(shí)現(xiàn)用于監(jiān)視和控制應(yīng)用程序的傳感器系統(tǒng)的第一步是了解系統(tǒng)需要哪種數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下，傳感器會(huì)產(chǎn)生模擬信號(hào)作為輸出。微控制器或其他基于數(shù)字邏輯的系統(tǒng)必須處理該信號(hào)。為了控制閉環(huán)系統(tǒng)，這些基于邏輯和微控制器的內(nèi)核需要將其輸出從數(shù)字轉(zhuǎn)換回模擬，以便驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)。

一個(gè)常見(jiàn)的誤解是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)該與微控制器的字大小相同 - 8位微位為8位，16位微位為16位等。但是，這不是案子。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)補(bǔ)充所測(cè)量信號(hào)的類型和大小，以及系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出的LSB（最低有效位）的電壓或電流電平的靈敏度。

理解數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的第一步是查看位數(shù)與測(cè)量信號(hào)大小的關(guān)系。 ADI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)PTM模塊顯示了位分辨率，步長(zhǎng)的相對(duì)大小和所涉及的動(dòng)態(tài)之間的關(guān)系（參見(jiàn)圖1）。下表清楚地顯示了動(dòng)態(tài)范圍如何擴(kuò)展DAC或ADC的每比特6 dB的速率。大多數(shù)工業(yè)傳感器在更高的電壓下工作，例如12伏電源系統(tǒng)上的10伏信號(hào)范圍，以保持合理的信噪比。該圖顯示了從可行的小步驟的轉(zhuǎn)換點(diǎn) - 10至12位范圍內(nèi)的mV電平，以及使用16位轉(zhuǎn)換器的μV電平的非常精確的跟蹤。

圖1：ADI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器培訓(xùn) - 位數(shù)。 （由Analog Devices提供。）

電源和信號(hào)

雖然比特分辨率定義了轉(zhuǎn)換器的步數(shù)，但LSB的實(shí)際限制取決于本底噪聲和滿量程（FS）系統(tǒng)的范圍。 LSB步長(zhǎng)由公式（FS/2n）求出，其中n是位數(shù)。 FS量是系統(tǒng)的VREF-（全0代碼）和VREF +（全1代碼）之間的電壓距離。對(duì)于工業(yè)傳感器應(yīng)用，大多數(shù)FS范圍接近10伏特，對(duì)于移動(dòng)功能，大約1.8至2.4伏特。工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用為主邏輯設(shè)置提供了大量干凈的12 V電源。這使得轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)能夠在電源的電壓范圍內(nèi)精確采樣。在移動(dòng)電池系統(tǒng)中，電源處于3.3至5.0 V范圍內(nèi)，這反過(guò)來(lái)又將FS降低了1伏以上。

除了收集的數(shù)據(jù)范圍外，還需要考慮信號(hào)頻率的代表信息。包含圖1的ADI培訓(xùn)模塊概述了ADC和DAC對(duì)信號(hào)捕獲和重建的挑戰(zhàn)。圖2顯示了ADC如何捕獲和采樣信號(hào)，然后由DAC重建。采樣速度和重建信號(hào)的建立時(shí)間都是正確表示來(lái)自傳感器的原始波形的積分。

圖2：ADI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器培訓(xùn) - 采樣數(shù)據(jù)。 （由Analog Devices提供。）

選擇分辨率太高，位數(shù)過(guò)多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器會(huì)降低系統(tǒng)中可能的采樣和重建速率。降低的數(shù)據(jù)速率會(huì)帶來(lái)混疊錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)采樣率接近被采樣信號(hào)（fa）的奈奎斯特帶寬時(shí)發(fā)生混疊。采樣頻率表示為fs。奈奎斯特帶寬定義為從DC到fs/2的頻譜。頻譜被分成無(wú)限數(shù)量的奈奎斯特區(qū)，每個(gè)區(qū)的寬度等于0.5fs。假設(shè)正確的捕獲和重建fs大于2 fa。在實(shí)踐中，理想的采樣器由ADC替代，然后是FFT處理器。 FFT處理器僅提供從DC到fs/2的輸出，即出現(xiàn)在第一奈奎斯特區(qū)中的信號(hào)或別名。

確定了轉(zhuǎn)換器選擇的這兩個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)后，下一步是根據(jù)傳感器的需要檢查轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)規(guī)格。這些規(guī)格包括變化率;靈敏度;他們是處理單端還是差分信號(hào);傳感器信息是以絕對(duì)還是相對(duì)變化的方式使用;以及傳感器溫度范圍內(nèi)的線性要求。這些因素都直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器的線性度（積分和差分）規(guī)范以及濾波前和濾波后，緩沖和采樣保持要求。有關(guān)這些其他規(guī)范的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱ADI培訓(xùn)模塊，但有關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)知識(shí)的德州儀器PTM模塊將進(jìn)一步說(shuō)明。

DAC和閉環(huán)

在閉環(huán)傳感器系統(tǒng)中，數(shù)字微控制器的輸出必須轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，以便在實(shí)時(shí)應(yīng)用中使用。這些設(shè)備通常處理電機(jī)控制，偏移調(diào)整和校準(zhǔn)。對(duì)于大多數(shù)反饋應(yīng)用，DAC使用的電壓或電流參考值小于傳感器信號(hào)的滿量程。這是因?yàn)樗钦诎l(fā)送的校正信號(hào)，而不是完整信號(hào)。

Microchip MCP4706系列DAC在這方面是典型的。這些器件提供8位，10位和12位版本，具有相同的引腳輸出。這些器件專為全信號(hào)恢復(fù)和軌到軌輸出而設(shè)計(jì)，通常與VREF引腳一起使用，以提供中間滿量程電平和更精細(xì)的控制，同時(shí)降低LSB步長(zhǎng)。圖3顯示了MCP4706在其電壓輸入和輸出模式下的框圖。某些應(yīng)用（如偏移控制）無(wú)法使用電壓輸出。在這些情況下，在DAC的輸出端使用跨導(dǎo)放大器來(lái)幫助閉合環(huán)路。運(yùn)算跨導(dǎo)放大器（OTA），例如On Semiconductor NE5517DG，通常用于電流輸出配置。這些放大器完全獨(dú)立，為隔離電流轉(zhuǎn)換提供單或雙信號(hào)路徑。圖4顯示了NE5517DG OTA的框圖。

圖3：Microchip的MCP4706系列框圖。 （由Microchip提供。）

圖4：On Semiconductor的OTA NE5517DG框圖。 （由安森美半導(dǎo)體公司提供。）

OTA的優(yōu)點(diǎn)是在DAC輸出端呈現(xiàn)均勻負(fù)載。這使系統(tǒng)具有可預(yù)測(cè)的穩(wěn)定時(shí)間并與系統(tǒng)噪聲保持隔離。它還有助于避免因?qū)⒎答伜托?zhǔn)信號(hào)應(yīng)用于電機(jī)控制或其他受監(jiān)控的環(huán)境/機(jī)電系統(tǒng)而導(dǎo)致的峰值。與電流輸出類似，最佳做法是在DAC輸出端使用單位增益電壓跟隨器，以提供系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善響應(yīng)。典型的DAC具有最小負(fù)載電阻水平 - 在MCP4706的情況下為5KΩ - 使輸出穩(wěn)定。外部放大器的使用允許驅(qū)動(dòng)低阻抗節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集

傳感器系統(tǒng)通常會(huì)產(chǎn)生電壓或電流，作為其當(dāng)前環(huán)境條件的衡量標(biāo)準(zhǔn)。為了能夠以自動(dòng)方式處理這些輸入，需要將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。在時(shí)域和頻域中量化或捕獲這些測(cè)量。連續(xù)信號(hào)的時(shí)間方面是確定要使用的ADC類型的關(guān)鍵點(diǎn)之一。三種主要類型的ADC是Flash，逐次逼近和sigma-delta。

由于Flash架構(gòu)及其衍生產(chǎn)品，多級(jí)閃存和流水線轉(zhuǎn)換器是最快的方法。這是一種并行配置，其中采樣信號(hào)出現(xiàn)在參考字符串的頂部。有多個(gè)同時(shí)電路都檢查信號(hào)的幅度是否大于其參考電壓。在該方法中，樣本的時(shí)間延遲是一個(gè)設(shè)備路徑（比較器和鎖存器）。缺點(diǎn)是對(duì)于高分辨率，你需要2n比較器用于n位轉(zhuǎn)換器。這種大型并行配置不僅消耗大量功率，而且對(duì)被采樣的信號(hào)也是非常大的容性負(fù)載。為了加速轉(zhuǎn)換器，參考電阻器串被設(shè)計(jì)成具有最小化的電阻，這可能導(dǎo)致傳感器驅(qū)動(dòng)這種低阻抗而不影響傳感器性能的問(wèn)題。

典型的多級(jí)閃存轉(zhuǎn)換器是德州儀器公司的TLC0820AIDW，如圖5所示。該8位轉(zhuǎn)換器將兩個(gè)4位閃存轉(zhuǎn)換器與一個(gè)嵌入式DAC相結(jié)合，以平衡兩步法。它提供最差情況，2.5μsec轉(zhuǎn)換時(shí)間，平均值為1.18μs。該器件的目標(biāo)是快速移動(dòng)信號(hào)，最高可達(dá)100 mV/μs，并可在短至100 ns內(nèi)捕獲信號(hào)。為了支持這種信號(hào)捕獲，該器件具有內(nèi)置的采樣保持放大器。該放大器調(diào)整到ADC子部分的負(fù)載，將輸入信號(hào)與兩個(gè)子轉(zhuǎn)換器和DAC的時(shí)鐘和開(kāi)關(guān)隔離。

圖5：德州儀器（TI）的TLC0820AID多級(jí)Flash ADC框圖。 （由TI提供。）其他兩種類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具有更高的精度和更慢的轉(zhuǎn)換時(shí)間。德州儀器（TI）的ADS1131是一款18位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，專為應(yīng)變計(jì)，稱重傳感器和控制環(huán)路應(yīng)用而設(shè)計(jì)，需要采用全周期步長(zhǎng)，延長(zhǎng)處理時(shí)間或作為主要采用LSB字級(jí)的跟蹤轉(zhuǎn)換器工作相鄰樣本的變化。 ADI公司的AD7982是一款18位逐次逼近型ADC，非常適合電池供電的醫(yī)療設(shè)備和地震數(shù)據(jù)采集。對(duì)于電池操作，該器件采用2.5 V單電源，以10 ksps的速率消耗70μW的功率。它具有真正的差分輸入，可用于高精度的相鄰樣本測(cè)量，可以完全分開(kāi)。

德州儀器（TI）ADS1131 sigma-delta轉(zhuǎn)換器（見(jiàn)圖6）具有高增益（64）內(nèi)置輸入放大器。由于每秒10或80個(gè)樣本的采樣率較慢，設(shè)計(jì)需要使用外部采樣保持放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)操作模式。該器件具有三階調(diào)制器和四階數(shù)字濾波器，采樣率為76.7 kHz。這種相對(duì)較高的信號(hào)處理采樣率允許器件在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下使用時(shí)產(chǎn)生有效的跟蹤分辨率。器件的輸出采用二進(jìn)制二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可以連續(xù)流為外部微控制器提供，因?yàn)槠骷恍枰鎯?chǔ)寄存器組來(lái)加載全轉(zhuǎn)換輸出。

圖6：德州儀器（TI）的ADS1131 sigma-delta ADC框圖。 （由TI提供。）

類似的sigma-delta器件是Microchip的MCP3422（見(jiàn)圖7）。此設(shè)備的分辨率取決于采樣率。每秒24個(gè)樣本，該器件可以產(chǎn)生12位分辨率和高達(dá)18位分辨率，每秒3.75個(gè)樣本。 MCP3422具有I2C接口，單電源供電，輸入端具有可編程增益放大器。 PGA范圍為1至8，器件包含自己的電壓基準(zhǔn)。

圖7：Microchip的MCP3422EV sigma-delta ADC框圖。 （由Microchip提供。）

ADI的逐次逼近轉(zhuǎn)換器（見(jiàn)圖8）專為高采樣率，高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而設(shè)計(jì)。該轉(zhuǎn)換器以1 Msps提供滿量程的相鄰采樣結(jié)果，并且僅需要290 ns的采樣時(shí)間來(lái)采集信號(hào)。該器件設(shè)計(jì)用于信號(hào)采集結(jié)果為每個(gè)采樣的新的，唯一的18位代碼的應(yīng)用。該器件不是采用連續(xù)模式，而是類似于Flash轉(zhuǎn)換器，并受采樣速率的奈奎斯特準(zhǔn)則的約束。驅(qū)動(dòng)這部分需要差分輸入。有些傳感器提供單端輸出，需要轉(zhuǎn)換為具有極低失調(diào)和失真的差分。 ADI公司的ADA4941-1等專用驅(qū)動(dòng)器專為驅(qū)動(dòng)高分辨率ADC而設(shè)計(jì)。這些放大器具有非常短的路徑延遲和高阻抗輸出級(jí)，可在采樣前對(duì)信號(hào)造成最小干擾。

圖8：ADI公司的AD7982 ADC框圖。 （由ADI公司提供。）