一文详解传感器数据采集

传感器广泛使用，既可以作为微控制器的一部分，也可以单独作为嵌入式系统使用。然而，一种更高效的电路实现将高性能模数（A/D）转换器与集成MCU相结合。

大多数传感器需要信号调理才能消除潜在的测量误差源。这些误差源可能包括增益和偏移误差，环境噪声或固有噪声以及传感器传递函数本身的非线性。许多现代应用还需要数字格式的条件传感器数据。对于具有多个传感器的系统，与每个传感器节点处的单独调节和转换电路相关联的开销可能是有问题的，从而增加了最终应用的维护，校准和成本开销。

无论是何种类型，无论是热电偶，电阻温度检测器，称重传感器还是磁场传感器，传感器通常都需要一个激励（偏置）源，用于信号生成和调节电路，以补偿测量误差。来源数量。

虽然这些传感器测量的温度，重量和磁场强度等参数不同，但它们具有低信号增益，幅度和非线性的共同电气特性。一旦安装在最终应用中，增益和偏移误差也可能变得明显，强制校准。许多传感器表现出高（或可变）输出阻抗，使它们容易出现信号负载和耦合噪声问题。这些因素单独或组合使用会增加显着的测量误差。因此，传感器需要专用的信号调理电路，以便在系统使用之前进行误差补偿，滤波和缓冲以及模数转换。

转换器拓扑结构

宽动态测量范围是许多传感器应用的另一个共同特征。例如，考虑一个卡车秤，其中货物的重量必须测量到0.1磅以内。实用的称重技术包括称重装载的卡车并减去空卡车的已知（恒定）重量。具有25,000磅满量程的合适的汽车衡必须具有19位的A/D转换器分辨率，以满足0.1磅的分辨率要求。在气体检测和高精度罗盘系统中使用的传感器中可以找到相同动态范围要求的其他示例。考虑到这些不同的要求并考虑到可能需要宽动态范围，传感器A/D转换器实际上是一个A/D转换器系统。

有许多A/D转换器拓扑可供选择，包括逐次逼近转换器（SAR），流水线转换器，闪存转换器和斜率转换器。但是，对高分辨率和高信噪比的要求限制了对集成A/D转换器的选择。

集成A/D转换器可以对多个样本（或长时间段）的测量过程进行平均，从而在降低噪声的同时提高分辨率。虽然集成A/D转换器比非集成类型慢得多，但它们对于典型的传感器应用来说足够快。集成A/D转换器架构的示例是delta-sigma，双和多斜率积分器和过采样SAR A/D转换器。其中，delta-sigma转换器因其最佳分辨率，线性度，噪声性能，成本和工作功率而成为传感器数据采集应用中最受欢迎的。

Δ-Σ型

delta-sigma A/D转换器是一种过采样转换器，但过采样只是有助于转换器整体性能的机制之一。 delta-sigma转换器将过采样与噪声整形和数字滤波相结合，以实现最佳分辨率和噪声衰减。它几乎完全是数字化的，使其能够享受现代数字电子产品的规模和经济性。这意味着体积小，安装成本低 - 这是大多数传感器接口应用中的重要因素。

delta-sigma A/D转换器架构由调制器和数字滤波器/抽取器组成。调制器由积分器，时钟比较器和1位D/A转换器组成。积分器平均时间平均D/A转换器输出与VIN之间的差值，并将结果应用于比较器输入。当计时时，比较器在其输入大于0时产生1，这在夏天的负输入产生+ VREF脉冲。该过程以等于采样时钟频率的速率继续，并产生1和0的连续比特流。在该比特流中，1s的数量与给定时间段内的总比特数（即1s密度）的比率等于VIN与VREF的比率。积分器的平均作用还充当差信号的低通滤波器，降低低输入频率下的量化噪声，并通过将噪声推出测量发生的频率范围来重新整形噪声。

数字滤波器然后去除重新形成的量化噪声，同时抽取器计算调制器数据的加权移动平均值以完成转换过程。但是，当delta-sigma转换器被多路复用时，必须刷新（清除）抽取器和滤波器内的数据以防止信道之间的信号串扰。冲洗和重新填充滤波器/抽取器的时间可能相当大，通常称为延迟或“群延迟”。许多系统具有用于模拟数据转换的关键时间预算，其可能受到延迟的不利影响。有些供应商提供降低延迟的delta-sigma转换器，可以在没有延迟的情况下交换某种程度的噪声性能。

由于其高分辨率和噪声衰减，delta-sigma A/D转换器在直流和低频应用（如传感器数据转换）中变得流行，并且可从许多半导体供应商处获得。

策略

传感器A/D转换器可以本地安装或远程安装在传感器上，电路可以实现多个方式近年来，在每个传感器站点（IEEE 1451）具有本地调节的分布式系统已经变得流行。其中一种更高效的电路实现使用“智能A/D转换器”，它由带有集成MCU的高性能A/D转换器组成。迄今为止的示例可以将带有模拟和数字外设的完整24位delta-sigma A/D转换器系统和基于50 Mips ISP闪存的8051 MCU集成在一个5 x 5 mm封装中。通过包含各种硬件连接和适当的固件来实现线性化，校准和串行通信，可以执行传感器调节和数据转换的所有方面。

系统固件
MCU提供的功能因最终应用而异。这些功能可能涉及测量，控制，诊断或其他功能。大多数应用需要测量（包括校准和线性化），通常是数据格式化和某种形式的通信接口。

虽然增益和偏移校准由专用板载硬件执行，但必须在固件中执行线性化。线性化的经典方法使用幂级数多项式方程。

将它拉在一起

A/D转换器/MCU组合IC上的其他外设可包括串行端口，定时器和模拟比较器，以扩展系统功能，超越传感器信号调理和转换。例如，板载串行端口可以与其他系统处理器进行通信，以进行远程配置，控制和数据交换。串行通信和系统内可编程闪存的组合可在系统要求发生变化时轻松进行系统固件升级。可以实现其他系统优势，例如智能电源管理和传感器诊断。所有这些策略都可以降低系统拥有成本并提高系统可用性和性能。