傳感器的信號(hào)路徑

　理解了一個(gè)模擬信號(hào)路徑后，數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)者就可以從各種應(yīng)用中，更精確地捕捉傳感器數(shù)據(jù)。

要點(diǎn)
　　即使同一家制造商的類似傳感器也可能有不同的輸出，而這些差異會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來(lái)麻煩。
　　噪聲來(lái)自于多種原因，包括電路板布局、射頻、熱元件，甚至傳感器自身。
　　要使用傳感器濾波后的信號(hào)，必須用ADC，將模擬信號(hào)量化為數(shù)字信號(hào)。
　　可以選擇采用外接ADC，也可以采用內(nèi)置ADC的微控制器。外接ADC有較高的精度，在速度與分辨率方面有更好的性能。

　　傳感器越來(lái)越多地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。雖然長(zhǎng)期以來(lái)工業(yè)產(chǎn)品一直將其用于制造控制系統(tǒng)，但消費(fèi)設(shè)備現(xiàn)在也開始采用傳感器。制造商們正在消費(fèi)產(chǎn)品中集成傳感器，以創(chuàng)造出更好的用戶體驗(yàn)，如在手機(jī)中增加加速度計(jì)，以及在微波爐中加入蒸汽傳感器等。以前僅在數(shù)字域中工作的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，自己必須要與模擬傳感器打交道了。

圖1，一只傳感器的模擬信號(hào)路徑可以分為幾級(jí)：放大、濾波和數(shù)字化。

　　傳感器的模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)數(shù)字化才能供系統(tǒng)使用，并且信號(hào)要經(jīng)過(guò)放大、濾波和數(shù)字化（圖1）。每一級(jí)通常都涉及一只圍繞著一些無(wú)源元件的器件，以正確地實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用。一旦對(duì)信號(hào)做了數(shù)字化，就可以將其送給微處理器上的控制系統(tǒng)，或整理數(shù)據(jù)后通過(guò)一個(gè)通信協(xié)議送至一只主處理器。協(xié)議可以根據(jù)需要使用傳感器數(shù)據(jù)。

　　每個(gè)傳感器有不同的輸出信號(hào)和范圍。輸出的信號(hào)可以是電壓、電流、電阻、電容或頻率，但幾乎不存在什么標(biāo)準(zhǔn)，只有專用的工業(yè)系統(tǒng)在使用它們。即使同一制造商的類似傳感器也可以有不同的輸出，而這些差異會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來(lái)一些麻煩。設(shè)計(jì)者選擇傳感器時(shí)必須滿足系統(tǒng)的需求。然而，如果在設(shè)計(jì)期間這種需求出現(xiàn)變化，則傳感器也要做出修改。另外，一款輸出略有不同的新傳感器必須對(duì)放大級(jí)和濾波級(jí)作出改動(dòng)。

　　大多數(shù)傳感器都輸出一個(gè)低電平的電流或電壓信號(hào)，因此一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)就能將任何電流信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)電壓。本文簡(jiǎn)單描述了一些概念和元件選擇過(guò)程。

幅度
　　一只傳感器的輸出可以低至數(shù)毫伏，也可以高達(dá)數(shù)伏特。為做到正確的數(shù)字化，對(duì)ADC來(lái)說(shuō)信號(hào)必須足夠大，才能有效地讀出。大多數(shù)情況下，傳感器信號(hào)都需要放大。例如，一個(gè)典型的K型熱電偶輸出為41μV/°C，如果你的設(shè)計(jì)需要1°C的粒度，就需要做相當(dāng)?shù)姆糯?。因此，必須考慮到ADC的分辨率，以確保能將信號(hào)放大到能滿足所需粒度。

　　對(duì)放大器的選擇主要取決于需要的類型，例如是儀表放大器、差分放大器、運(yùn)算放大器，還是PGA（可編程增益放大器）。另外還必須確定放大器需要的增益大小。放大器周圍的電阻網(wǎng)絡(luò)（帶反饋）決定了放大器的增益。理想情況下，標(biāo)準(zhǔn)放大器的最大增益是無(wú)限的。給器件的數(shù)字信號(hào)通常就設(shè)定了PGA的增益。這個(gè)信號(hào)改變了內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)。一只PGA的最大可能增益為傳統(tǒng)放大器的千分之一至二分之一，但大多數(shù)情況下這個(gè)區(qū)間是可以接受的。

　　對(duì)于放大器還必須考慮另外一個(gè)重要規(guī)格：偏移電壓。偏移電壓是一個(gè)信號(hào)通過(guò)放大器時(shí)改變的電壓量。例如，如果將一個(gè)500 mV信號(hào)送給一個(gè)單位增益（即增益為1）的放大器，偏移電壓為10 mV，則得到的輸出就是510 mV。如果傳感器的輸出范圍為0至900 mV，而系統(tǒng)不需要非常精密的傳感器讀數(shù)，那么這個(gè)偏移就可以忽略不計(jì)。如果傳感器的范圍為450 mV至550 mV，這個(gè)偏移可能就不可接受了。偏移電壓越小，放大器就越貴。所有放大器都有偏移，但你需要知道系統(tǒng)是否能容忍它?？梢杂孟嚓P(guān)雙采樣方法來(lái)降低或消除偏移電壓。

濾波
　　所有系統(tǒng)都會(huì)在傳感器信號(hào)上疊加一些噪聲。噪聲來(lái)源有各個(gè)方面，包括電路板布局、射頻、熱元件，甚至傳感器自身。信號(hào)噪聲會(huì)使ADC的讀數(shù)不精確和不穩(wěn)定，噪聲電平在放大器中會(huì)得到增強(qiáng)，因?yàn)榉糯笃髂芊糯笮盘?hào)中的誤差。信號(hào)噪聲可以分為低頻、高頻或某個(gè)已知頻率。通常最需要解決的是高頻噪聲問(wèn)題?！　?br>

圖2，傳感器的信號(hào)路徑中包括放大器、濾波器和ADC。濾波器的設(shè)計(jì)用于去除信號(hào)中的噪聲，限制帶寬。

　　用無(wú)源模擬濾波器、濾波器IC和數(shù)字濾波器都可以濾除噪聲（圖2）。最常見的方法是無(wú)源濾波，這要用電阻、電容和電感建立一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。不過(guò)，你必須設(shè)計(jì)無(wú)源的濾波器，并且無(wú)法簡(jiǎn)單地改變它們。濾波器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度可能與你所需濾波器等級(jí)一樣大；一個(gè)一階Chebyshev濾波器的設(shè)計(jì)工作量要比一個(gè)八階Bessel濾波器小得多。因此你應(yīng)確定需要的濾波器階數(shù)，然后再選擇自己采用的濾波方法。

　　某些IC允許你用數(shù)字編程方法，確定需要的濾波器類型。這些IC用內(nèi)部的模擬電路建立濾波器，并可能有與之相關(guān)的偏移電壓。它們也可以讓你將濾波步驟移到ADC量化的后面。數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)可以很復(fù)雜，但有很多能幫助做出高階濾波器的簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)。數(shù)字濾波是去除噪聲的一個(gè)理想方式，但是，它通常需要很多CPU周期，增加了功耗。系統(tǒng)通常會(huì)引起高頻噪聲，因此需要采用低通濾波器。這種濾波器可衰減高于所設(shè)定截止頻率的信號(hào)部分。有些傳感器信號(hào)要求采用相互串聯(lián)的多種類型濾波器。大多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)表中都指定了一個(gè)基本的接口電路，但并未提及所需要的濾波形式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須在徹底了解需要的濾波形式以后，再建立系統(tǒng)。

數(shù)字轉(zhuǎn)換
　　為了使用傳感器濾波后的信號(hào)，必須用一只ADC對(duì)模擬信號(hào)作量化，使之進(jìn)入數(shù)字域。ADC的選擇主要是考慮系統(tǒng)對(duì)采樣速度和分辨率的要求。所需采樣速度與傳感器的帶寬以及系統(tǒng)需要刷新的速度有關(guān)。分辨率的決定因素是需要ADC響應(yīng)傳感器信息的間隔時(shí)間。系統(tǒng)的使用模型決定了這個(gè)速度以及分辨率要求。例如，一個(gè)普通陀螺儀會(huì)以0.67mV/(°)測(cè)量360°的旋轉(zhuǎn)，獲得241mV的輸出量程。為保持垂直，一個(gè)直升機(jī)愛好者需要以1°的粒度獲得陀螺儀信息，但吞吐量只有10k采樣/秒。這個(gè)需求就要用一個(gè)10bit ADC，提供0.35°/bit。不過(guò)要注意，信號(hào)上仍然有噪聲，±1 bit是可接受的。反之，一款防抖數(shù)碼相機(jī)可能需要0.02°的粒度，但吞吐量為5k采樣/秒，從而在相機(jī)振動(dòng)時(shí)調(diào)整圖像傳感器。這種要求可能需要采用16位ADC，提供0.005°/位。

圖3，將INL誤差 (a)、DNL誤差 (b)、增益誤差 (c)、偏移誤差 (d) 以及總誤差相結(jié)合，就能了解一個(gè)理想ADC (f) 與實(shí)用ADC。

　　制造商以INL（整體非線性）、DNL（差分非線性）、偏移誤差、增益誤差和SNR（信噪比）等指標(biāo)來(lái)量度ADC的精度。當(dāng)把這些術(shù)語(yǔ)聯(lián)合起來(lái)時(shí)，就提供了對(duì)ADC總誤差的一個(gè)了解（圖3）。對(duì)于多數(shù)應(yīng)用，沒有必要細(xì)究這些ADC的規(guī)格，但工程師應(yīng)充分理解這些值對(duì)所用ADC的意義。你可以選擇使用外接ADC，或一款內(nèi)置ADC的微處理器。外接ADC有較高的精度，在速度和分辨率方面都有較高的性能。不過(guò)，大多數(shù)傳感器的應(yīng)用要求都能很好地適合于微控制器內(nèi)置的ADC。

　　另外一種選擇是采用可配置ADC，它是微控制器中包含的可編程邏輯塊。集成的數(shù)字與模擬可編程塊可以為每種傳感器應(yīng)用動(dòng)態(tài)地定義可配置外設(shè)。這些塊包括計(jì)數(shù)器、PWM（脈沖寬度調(diào)制器）、UART、SPI（串行外設(shè)接口）、放大器、濾波器、ADC和DAC。開發(fā)者還可以在一只器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)放大與濾波級(jí)，從而集成整個(gè)模擬信號(hào)鏈（圖4）。采用可配置ADC可以得到比無(wú)源元件方法更干凈的設(shè)計(jì)。另外，可以動(dòng)態(tài)地重新配置這些塊，這些就可以選擇將這些系統(tǒng)資源重新利用于其它功能。

圖4，開發(fā)者可以在一只器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)放大級(jí)與濾波級(jí)，集成整個(gè)模擬信號(hào)鏈。

　　傳感器在繼續(xù)向很多市場(chǎng)滲透，為人們帶來(lái)更多的控制與更大的靈活性。傳感器通過(guò)對(duì)環(huán)境的管理例如溫度監(jiān)控提高了可靠性，通過(guò)反饋機(jī)制改進(jìn)了性能，并實(shí)現(xiàn)了新型用戶接口。對(duì)于很多這些設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，微控制器中集成的ADC提供了足夠的粒度和精度。不熟悉模擬設(shè)計(jì)的開發(fā)人員可能會(huì)在傳感器與微處理器之間的模擬信號(hào)鏈上遇到麻煩。

　　多級(jí)模擬信號(hào)路徑的實(shí)現(xiàn)似乎很復(fù)雜，尤其是對(duì)那些主要在數(shù)字域做設(shè)計(jì)的工程師們。不過(guò)，將模擬信號(hào)域分隔為多個(gè)放大、濾波和ADC級(jí)后，數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)者就可以更容易和更精確地捕捉一系列工業(yè)與消費(fèi)應(yīng)用中的傳感器數(shù)據(jù)。另外，不斷涌現(xiàn)的IC、可配置ADC和濾波器設(shè)計(jì)工具等都可以大大簡(jiǎn)化傳感器的設(shè)計(jì)。