插入式解決方案滿足滿足傳感器數(shù)據(jù)采集的設(shè)計與挑戰(zhàn)

傳感器數(shù)據(jù)采集是許多深度嵌入式應(yīng)用的基礎(chǔ)，并在不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中發(fā)揮著核心作用。隨著依賴能量收集的趨勢，基于傳感器的設(shè)計需要越來越有效的解決方案來有效和準(zhǔn)確地處理傳感器信號。在可用的替代產(chǎn)品中，專用的傳感器信號調(diào)理IC(如ADI公司，Maxim Integrated公司和德州儀器公司的產(chǎn)品)為傳感器信號采集提供了直觀的解決方案。

傳感器通常會產(chǎn)生需要放大的小信號以提升動態(tài)信號信號范圍，以及補(bǔ)償，以校正傳感器本身的偏移，溫度和非線性響應(yīng)(圖1)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計人員可以采用各種數(shù)字和模擬方法。

圖1：集成傳感器信號調(diào)理器IC將模擬信號路徑與數(shù)字控制功能相結(jié)合，使用專用數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，支持傳感器設(shè)計所需的激勵，補(bǔ)償和線性化(由Maxim Integrated提供)。

傳感器信號處理

數(shù)字信號處理(DSP)方法為傳感器數(shù)據(jù)采集提供了高度靈活的選擇。采用基于DSP的方法，放大，補(bǔ)償和校正都是在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換后在數(shù)字域中嚴(yán)格發(fā)生的。然而，通過這種方法，信號保持在有限的動態(tài)范圍內(nèi)，需要更昂貴，更高分辨率的ADC來實(shí)現(xiàn)所需的精度水平。此外，DSP方法將設(shè)計復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到數(shù)字系統(tǒng)，導(dǎo)致更高的內(nèi)存要求和更高的軟件復(fù)雜性，而物聯(lián)網(wǎng)可以輕松支持許多深度嵌入式應(yīng)用。相比之下，在模擬域中執(zhí)行的信號調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了傳感器校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償不會產(chǎn)生與量化信號的數(shù)字處理相關(guān)的誤差。然而，隨著傳感器復(fù)雜性的增加和更高的應(yīng)用要求，分立式解決方例如，更復(fù)雜的傳感器類型，例如橋式傳感器，要求放大器能夠放大差分輸入電壓并抑制共模輸入電壓。因此，使用這些類型傳感器的工程師需要格外小心，以確保使用匹配的電阻和放大器實(shí)際上，嚴(yán)格地在模擬域中實(shí)施信號調(diào)節(jié)傳統(tǒng)上呈現(xiàn)出其自身獨(dú)特的挑戰(zhàn)，因?yàn)楣こ處煱l(fā)現(xiàn)自己面臨尋找敏感信號鏈的最佳操作條件。通用集成模擬前端(AFE)IC的出現(xiàn)提供了一種更有效的解決方案，使設(shè)計人員能夠滿足各種模擬信號處理要求。傳感器信號調(diào)理器IC以此概念為基礎(chǔ)，其特性和功能專為滿足與基于傳感器的設(shè)計相關(guān)的獨(dú)特要求而設(shè)計。

傳感器信號調(diào)節(jié)器

專用傳感器信號調(diào)節(jié)器將模擬信號路徑與數(shù)字控制相結(jié)合偏移，增益，線性化和溫度補(bǔ)償?shù)倪壿?。憑借其完全模擬信號路徑，這些器件不會在輸出信號中引入量化噪聲。同時，通過集成DAC使用數(shù)字控制微調(diào)提供了熟悉的數(shù)字技術(shù)的靈活性和精確性。由于制造商將這種廣泛的功能集成到單個器件中，傳感器系統(tǒng)設(shè)計人員避免了傳統(tǒng)上與優(yōu)化和調(diào)諧敏感模擬信號鏈相關(guān)的問題。

傳感器信號調(diào)理器IC通常集成了傳感器激勵電路，多路復(fù)用器，ADC，可編程增益放大器(PGA) )，溫度傳感器，控制邏輯和數(shù)字接口。對于線性化和溫度補(bǔ)償，此類設(shè)備根據(jù)從片上存儲器或外部EEPROM中保存的查找表中提取的值調(diào)整輸出。通過內(nèi)置溫度補(bǔ)償和傳感器輸出線性化的完整信號鏈，這些器件為基于傳感器的設(shè)計提供了近乎可靠的解決方案。例如，德州儀器PGA309模擬信號調(diào)理器設(shè)計用于用于力傳感應(yīng)用的橋式傳感器，集成了適應(yīng)這些復(fù)雜傳感器所需的全套電路塊(圖2)。 PGA309包括一個用于傳感器激勵和線性化的專用電路塊。該模塊圍繞專用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)構(gòu)建，可對參考電壓進(jìn)行調(diào)整，并將其與PGA309輸出的一部分相加，以補(bǔ)償許多傳感器在其施加的壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)的正或負(fù)弓形非線性。

圖2：德州儀器(TI)PGA309專為橋式傳感器應(yīng)用而設(shè)計，為橋式激勵，溫度補(bǔ)償和線性化提供專用功能(德州儀器公司提供)。

溫度補(bǔ)償，PGA309通過專用ADC數(shù)字化溫度，并使用轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)從外部EEPROM中的查找表中讀取數(shù)據(jù)。專用電路使用結(jié)果根據(jù)溫度變化時的校準(zhǔn)值調(diào)整輸出。對于不需要溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用，德州儀器PGA308提供了更低成本的選項(xiàng)，但沒有此功能，但包括與PGA309相同的功能。

PGA309圍繞精密，低漂移的前端PGA構(gòu)建，沒有1/f噪聲，而輸入多路復(fù)用器可以切換輸入的極性，以適應(yīng)未知極性輸出的傳感器。工程師可以在2.7到1152 V/V的寬范圍內(nèi)調(diào)整前端PGA和輸出放大器的整體增益。

內(nèi)置故障監(jiān)控電路可以檢測傳感器和系統(tǒng)的故障，提供故障條件通過PGA309的內(nèi)部報警狀態(tài)寄存器以數(shù)字形式。器件輸入端的四個比較器用于檢測橋式傳感器燒壞，并根據(jù)配置設(shè)置發(fā)出故障報警信號。此外，該器件還可以針對過大和欠量程條件發(fā)出警報。

與TI PGA309一樣，Maxim Integrated MAX1452旨在提供具有最少外部元件的完整解決方案。 MAX1452架構(gòu)包括可編程傳感器激勵，16步PGA，768字節(jié)內(nèi)部EEPROM，4個16位DAC，一個非專用運(yùn)算放大器和一個片上溫度傳感器。

MAX1452溫度補(bǔ)償功能允許工程師選擇一到114個溫度點(diǎn)來補(bǔ)償傳感器。在這里，工程師可以設(shè)置多達(dá)114個獨(dú)立的16位EEPROM位置，以在-40°至+ 125°C的溫度范圍內(nèi)以1.5°C的溫度增量校正溫度。這種方法使設(shè)計人員能夠靈活地通過簡單的一階線性校正補(bǔ)償傳感器或適應(yīng)不尋常的溫度曲線。

雖然MAX1452不包含集成的非線性校正功能，但設(shè)計人員可以使用一個線性化橋式傳感器的輸出。簡單的外部電路，在應(yīng)用電路中使用三個額外的電阻(圖3)。這里，來自O(shè)UT引腳的放大輸出電壓將激勵電壓調(diào)制到傳感器電橋。隨著傳感器輸出的輸出驅(qū)動OUT變高，橋上的激勵會略微增加以提供非線性校正。

圖3：使用MAX1452，設(shè)計人員可以將橋式傳感器輸出線性化增加三個電阻。這里，RF =18kΩ和RS =1.8kΩ的值被選擇用于4.7kΩ(標(biāo)稱值)的橋電阻，而ROF確保電橋的差分輸出始終為正(由Maxim Integrated提供)。

設(shè)計師可以還可以找到專為傳感器應(yīng)用而設(shè)計的傳感器調(diào)節(jié)器例如，ADI公司的1B31AN，1B41AN和1B51AN分別為應(yīng)變儀，電阻溫度檢測器(RTD)和熱電偶提供集成解決方案。此外，ADI公司的AD693專為支持傳統(tǒng)過程控制應(yīng)用而設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)的4至20 mA雙線電流回路。

在AD693中，儀表放大器可以縮放低電平輸入信號并驅(qū)動V/I轉(zhuǎn)換器，提供4至20 mA的環(huán)路電流。集成的電壓基準(zhǔn)和電阻分壓器提供應(yīng)用電壓，用于設(shè)置環(huán)路中所需的各種帶電零電流。此外，該器件還包括一個可用于傳感器激勵的片上輔助放大器。

ADI公司還提供AD598，它為用于感測的線性可變差動變壓器(LVDT)傳感器的信號調(diào)理提供集成解決方案。機(jī)械定位(圖4)。該器件僅需幾個額外的外部無源元件即可將原始LVDT輸出轉(zhuǎn)換為縮放的DC信號。 AD598的比例式架構(gòu)消除了傳統(tǒng)LVDT接口方法的一些缺點(diǎn)，從而提高了溫度穩(wěn)定性和傳感器互換性。 ADI公司提供與AD598相同的功能，可提供改善的增益誤差，失調(diào)誤差和失調(diào)漂移。

圖4：ADI公司AD598僅需幾個外部無源元件實(shí)現(xiàn)完整的基于LVDT的線性定位設(shè)計(由ADI公司提供)。

結(jié)論

對于采用能量采集方法的嵌入式設(shè)計，傳感器信號處理對于準(zhǔn)確有效地提供傳感器數(shù)據(jù)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。在替代解決方案中，專用傳感器信號調(diào)理器IC提供與傳統(tǒng)模擬信號鏈相關(guān)的精確度的獨(dú)特組合以及數(shù)字方法可用的靈活性。通過為傳感器信號處理提供插入式解決方案，這些器件使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)能夠滿足傳感器數(shù)據(jù)采集最具挑戰(zhàn)性要求的設(shè)計。