在嵌入式系统中跟踪感应器的信号路径

1、在嵌入式系统中跟踪感应器的信号路径关键字：赛评拉斯半导体 嵌入式系统 跟踪感应器感应器在嵌入式系统小的使川h趋频繁。在工业产品领域，感应器长期用于制造控制系统，而在消费 设备领域，感应器的使用方兴未艾。在消费产品中集成感应器，可为用八提供更为出色的用八体验， 例如为移动电话添加加速计功能，以及为微波炉添加水蒸气感应功能等。以前仅涉足数字设计的工作人员现在发现自己还必须考虑与模拟感应器相连接的问题。感应器的模拟 信号需耍进行数字化后才能被系统使用，信号路径需要经过儿个不同的阶段，包括放人、过滤和数字 化等(见以下图1)。信号一旦数字化之示，用户就能将其发送给微控制器上的控制处理系统，或者 处理数

2、据并通过通信协议将其传输给主机处理器，这样主机就可以根据盂要使用感应器数据。上述每个阶段通常都要使用一个相应的组件，该组件周边应当配合使用无源组件，以确保既定应用的 正常工作。感应器每个感应器的输岀信号和感应距离各不相同。输出信号可以是基于电压、电流、电阻、电容或频率的, 不过由于相关的标准严重不足，它们仅应用于特定的工业系统中。即便同一家制造商推出的类似感应 器的输出也可能不尽相同，上述差界可能会给系统设计人员造成不便。设计人员必须选择符合系统耍 求的感应器。如果在设计过程中系统要求出现出现要求变化，感应器町能也碍要做相应改变。此外， 如果采川的新感应器的输出略有不同，则还町能需耍改变放人和

3、过滤级。由于人多数感应器输出的是 较低的电流或电压信号，因此木文主要讨论这种类型的感应器，另外，我们可以并通过简单的电阻网 络将电流信号转变为电压信号。请留意：棊于效率的考虑为提高效率，木文对某些概念和器件组件选 择过程进行了 一定程度的简化。感应器的输出可能为儿毫伏，也可能高达儿伏。为了使信号被正确数字化数字化，感应器的输出应当 足够大，这样才能确保模数转换器(adc)有效读取信号。在大多数悄况下，感应器信号都应当被放 大。例如，典型的k类热电偶输出值为41uv/° c,这就需要対该值进行充分放大，这样用户才能 得到1c的精度。因此，设计人员必须考虑adc的解析度，确保信号足够放大

4、，以便实现所需的精 度粒度。放大放人器的选择主要取决于所需的类型，比如需要的是仪表放大器、差分放人器、运算放人器还是可编 程增益阵列等，此外选放大器需要还耍考虑到增益的大小。放大器增益由放大器周边帯反馈的电阻网 络设置。标准放大器的最大增益在理想状态下是无限的。pga增益通常由发送到设备的数字信号设 迸，具会改变内部电阻网络。pga的最大增益比传统的放人器而言更加有限，主要在0.5倍到数千 倍之间，不过在大多数情况下这样的增益范围已经足够了。选择放大器需婆考虑的另一重要规范就是偏置电压(vos)o vos是指信号通过运算放大器后会额外 改变的的电压。例如，如果一个500-mv信号输入单位增益(

5、1x)放大器且vos为10 mv,那么 输出电压就是510 mvo如果感应器的输出范围为0-900mv且系统不筋要对感应器进行非常线性化 的读取，偏置就可以忽略。如果感皿器输出范围为450550mv,则偏置就可能难以接受了。在选择 放人器时，vos越小，成本就越高。由于所有放大器都有偏置，因此需要着更重要的是考虑系统能 否承受这个vos。vos还能通过相关双釆样进行减小或消除。在所冇系统中，感应器信号都会受到噪声的彩响。噪声的来源冇很多，如板的布局、无线电、热噪声 甚至感应器本身等。信号噪声不仅会导致adc的读取不准确、不稳定，而且噪声经过放大环节后还 会增强，从而加大信号的误差。信号噪声可分

6、为低频、高频或已知特定频率噪声。大多数情况下，我 们需要解决的是高频噪声问题。我们可通过不同的方法过滤噪声，包括无源模拟过滤器、滤波ic和数字过滤等。而无源过滤是最常 用的方法，其需要建立包括电阻、电容和电感的无源网络。无源过滤器的问题在于，这种过滤器必须 经过相应设计h难以改变。随着所需过滤器级别的增加，过滤器设计町能愈加复杂。一级切比雪夫滤 波器的设计工作相对于八级贝塞尔过滤器何言就要简单得多。因而，设计人员在选择采用何种滤波过 滤方法之前首先需要明确所需滤波器过滤器的阶数级别。滤波ic允许设计人员对所需的过滤器类型进行数字编程。这种ic通过內置的不同类型模拟电路 创建滤波器过滤器，h可能

7、带有与其自身相关的偏置电压。这种ic还能帮助设计人员在adc量化 z后再启动滤波进程。数字过滤器的设计可能非常复杂，不过高阶滤波器高级别过滤器的设计工作可 通过一些现有的工貝加以简化。数字过滤也可成为删除噪声的一种理想方式，不过这通常需要占用大 量的cpu资源，进而也会增加电力消耗。数字转换为了使用感应器的经滤波示的信号，我们必须通过adc将模拟信号呆化为数字值。对adc的选 择通常要考虑到系统对采样速率和分辨率的要求。所需的采样速率与感应器的带宽或系统的更新频率 有关，而分辨率则取决于对感应器信息做出反应所需的最细精度。系统的使用模式决定着上述速率利分辨率耍求。例如，用常见的陀螺仪检测360

8、度旋转情况，每度 对应0.67 mv的电压，这样其输出电压就是241 mv。玩具直升e机可能需要粒度为1度的陀螺 仪提供信息，不过要需要10ksps的吞吐量才能保证直升飞机垂直。根据上述要求，我们可能需要 采用10位adc,每一位对应0.35° (请注意，信号仍受噪声影响，在此基础上谋差为±1位都可 以接受)。与此形成对比的是，支持图像稳定功能的数码相机则需要0.02度的粒度及较低的5ksps 吞吐量，这样就能在相机抖动时调节图像感应器。根据上述耍求，我们需耍采用16位的adc,每 位对应0.005° oadc的准确度通过积分非线性(inl),、差分非线性(dnl

9、)、偏置误差、增益误差和信噪比(snr)进 行衡量。综合考虑上述因素，我们就能了解adc的总误差。第s10页上的图2分别显示了每种 误差并将其整合在一起。对人多数应用來说，我们都不需要考虑上述这些adc规范，不过工作认真 的工程师仍应了解所用adc的有关具体数值。图2：结合比较积分非线性、差分菲线性、偏置谋差、增益谋差和信噪比,有助于我们了解adc 选择adc时，卅户可选用外部adc或集成adc的微控制器。外部adc的性能通常较高，在 速率、分辨率以及精度要求方血都表现较好。不过人多数感应器m用都能通过集成微控制器的adc 得到满足。我们还可选用町配置的adc,这种adc微控制器中包括冇可编程

10、的逻辑块。集成式数字和模拟口j 编程块使我们对以动态定义对配置的外设，优化用于具体的感应器应用，如计数器、pwm、uart、 spi、放大器、adc和dac等。开发人员还能实现信号实施放大和过滤级，在单一器件中集成整 个模拟信号链（见以上图3）。可配置的adc相对于无源纟fl件而言有助于人幅简化设计。此外，考虑到相关模块有关块可以动态再 配置，开发人员还能选择重复使用这些系统资源來实现其他功能。图3：开发人员可实现实施放人和过滤级,在单一器件中集成整个模拟信号链感应器不断向更广泛的市场领域渗透，为开发人员带来了更多的可控性及更强的灵活性。通过对环 境的管理（如温度监控），感应器提高了可靠性，乂而通过反馈机制提高了整体的性能，此外还能实 现各种新型用户界面，诸如此类的应用非常广泛。对众多设计方案而言,微控制器上的集成式adc即 能提供足够的分辨率粒度和准确性。不熟悉模拟设计的开发人员在感应器和mcu之间的模拟信号 链方面可能会遇到麻烦。实施多级模拟信号路径看上去比较复杂，特别是对于主要从事数字领域设计工作的人员來说尤其如