傳感器的信號路徑及其相關(guān)特性

　　傳感器越來越多地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。雖然長期以來工業(yè)產(chǎn)品一直將其用于制造控制系統(tǒng)，但消費設(shè)備現(xiàn)在也開始采用傳感器。制造商們正在消費產(chǎn)品中集成傳感器，以創(chuàng)造出更好的用戶體驗，如在手機中增加加速度計，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路徑可以分為幾級：放大、濾波和數(shù)字化。

　　傳感器的模擬信號必須經(jīng)過數(shù)字化才能供系統(tǒng)使用，并且信號要經(jīng)過放大、濾波和數(shù)字化（圖1）。每一級通常都涉及一只圍繞著一些無源元件的器件，以正確地實現(xiàn)一個應(yīng)用。一旦對信號做了數(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)后通過一個通信協(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)。

　　每個傳感器有不同的輸出信號和范圍。輸出的信號可以是電壓、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，而這些差異會給系統(tǒng)設(shè)計者帶來一些麻煩。設(shè)計者選擇傳感器時必須滿足系統(tǒng)的需求。然而，如果在設(shè)計期間這種需求出現(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放大級和濾波級作出改動。

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

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ADC來說信號必須足夠大，才能有效地讀出。大多數(shù)情況下，傳感器信號都需要放大。例如，一個典型的K型熱電偶輸出為41μV/°C，如果你的設(shè)計需要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，以確保能將信號放大到能滿足所需粒度。

　　對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限的。給器件的數(shù)字信號通常就設(shè)定了PGA的增益。這個信號改變了內(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)情況下這個區(qū)間是可以接受的。

　　對于放大器還必須考慮另外一個重要規(guī)格：偏移電壓。偏移電壓是一個信號通過放大器時改變的電壓量。例如，如果將一個500 mV信號送給一個單位增益（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)，那么這個偏移就可以忽略不計。如果傳感器的范圍為450 mV至550 mV，這個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。可以用相關(guān)雙采樣方法來降低或消除偏移電壓。

濾波

　　所有系統(tǒng)都會在傳感器信號上疊加一些噪聲。噪聲來源有各個方面，包括電路板布局、射頻、熱元件，甚至傳感器自身。信號噪聲會使ADC的讀數(shù)不精確和不穩(wěn)定，噪聲電平在放大器中會得到增強，因為放大器能放大信號中的誤差。信號噪聲可以分為低頻、高頻或某個已知頻率。通常最需要解決的是高頻噪聲問題?！　?BR>

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

　　用無源模擬濾波器、濾波器IC和數(shù)字濾波器都可以濾除噪聲（圖2）。最常見的方法是無源濾波，這要用電阻、電容和電感建立一個無源網(wǎng)絡(luò)。不過，你必須設(shè)計無源的濾波器，并且無法簡單地改變它們。濾波器設(shè)計的復(fù)雜度可能與你所需濾波器等級一樣大；一個一階Chebyshev濾波器的設(shè)計工作量要比一個八階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)計可以很復(fù)雜，但有很多能幫助做出高階濾波器的簡便設(shè)計。數(shù)字濾波是去除噪聲的一個理想方式，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)定截止頻率的信號部分。有些傳感器信號要求采用相互串聯(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，必須用一只ADC對模擬信號作量化，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間。系統(tǒng)的使用模型決定了這個速度以及分辨率要求。例如，一個普通陀螺儀會以0.67mV/(°)測量360°的旋轉(zhuǎn)，獲得241mV的輸出量程。為保持垂直，一個直升機愛好者需要以1°的粒度獲得陀螺儀信息，但吞吐量只有10k采樣/秒。這個需求就要用一個10bit ADC，提供0.35°/bit。不過要注意，信號上仍然有噪聲，±1 bit是可接受的。反之，一款防抖數(shù)碼相機可能需要0.02°的粒度，但吞吐量為5k采樣/秒，從而在相機振動時調(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，就能了解一個理想ADC (f) 與實用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)來量度ADC的精度。當(dāng)把這些術(shù)語聯(lián)合起來時，就提供了對ADC總誤差的一個了解（圖3）。對于多數(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，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)用動態(tài)地定義可配置外設(shè)。這些塊包括計數(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)實現(xiàn)放大與濾波級，從而集成整個模擬信號鏈（圖4）。采用可配置ADC可以得到比無源元件方法更干凈的設(shè)計。另外，可以動態(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)實現(xiàn)放大級與濾波級，集成整個模擬信號鏈。

　　傳感器在繼續(xù)向很多市場滲透，為人們帶來更多的控制與更大的靈活性。傳感器通過對環(huán)境的管理例如溫度監(jiān)控提高了可靠性，通過反饋機制改進(jìn)了性能，并實現(xiàn)了新型用戶接口。對于很多這些設(shè)計來說，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)計的開發(fā)人員可能會在傳感器與微處理器之間的模擬信號鏈上遇到麻煩。

　　多級模擬信號路徑的實現(xiàn)似乎很復(fù)雜，尤其是對那些主要在數(shù)字域做設(shè)計的工程師們。不過，將模擬信號域分隔為多個放大、濾波和ADC級后，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)計工具等都可以大大簡化傳感器的設(shè)計。