采用低功耗模拟前端与MCU优化能量收集系统的设计

能量收集已成为为监测环境因素而设计的无线传感器节点供电的有效方法。然而，对于传感器子系统本身，工程师在构建合适的解决方案时可能面临重大挑战，从而增加了紧凑项目进度的延迟。对于许多传感器设计，工程师可以利用可用的低功耗模拟前端（AFE）和IC制造商的专用MCU，包括ADI公司，赛普拉斯半导体公司，Microchip Technology公司和德州仪器公司等。传感器系统，工程师传统上依靠手工构建合适的信号链，结合运算放大器，比较器和可靠地收集传感器数据所需的相关组件。虽然从传感器获取信号的概念看起来很简单，但工程师发现自己面临着一系列实际问题，例如传感器驱动和输出要求，采样率，信号路径校准，性能和传感器诊断，所有这些都在分配的功率预算范围内。在信号路径本身内，与元件匹配，偏移调整，电路板布局和附近噪声源相关的挑战增加了构建有效模拟信号路径的复杂性。

信号要求

因为传感器输出信号非常小，传感器信号路径通常需要具有极低失调电压的低噪声可编程增益放大器（PGA），以及低温和偏移漂移，以减少引入错误的可能性。在许多情况下，传感器的共模电压输出远大于感兴趣的信号，因此一些设计可能需要具有足够高的共模抑制比的放大器。

由于传感器信号小且对整体灵敏度高噪声，传感器信号路径通常还包括设计用于限制本底噪声的设计元件。这些设计通常采用滤波器来限制信号带宽并降低噪声贡献。此外，斩波稳定放大器可用于减少放大器1/f噪声的误差。最后，使用ΣΔADC及其过采样转换方法有助于降低噪声和相关的噪声滤波要求。

传感器设计还需要为有源传感器（如电阻）提供稳定的激励电压或电流源以及低温漂温度探测器（RTD）和应变计。这些设计通常提供比例输出，其中MCU的最终输出是传感器输出与激励参考电压的比率，使得输出有效地免受激发源的变化。因此，在大多数情况下，激励参考电压源不需要是昂贵的高精度电源。

集成AFE

传统上，AFE IC结合了模拟信号调理子系统的所有组件，包括运算放大器，单个封装中的滤波器和相关电路。今天，集成趋势也将ADC放在芯片上，提供了一个全面的信号链，能够将传感器的模拟输出与MCU的数字输入连接起来（图1）。

图1：典型的传感器信号链结合了带宽限制滤波，低噪声可编程增益放大器和用于连接传感器和MCU的ADC（由德州仪器公司提供）。集成AFE IC集成了完整传感器信号路径的所有元件，为工程师提供了近乎可靠的解决方案，该解决方案已经过匹配，调整和符合性能要求。事实上，工程师可以找到专为特定应用领域设计的集成AFE IC，包括通信和医疗等。在某些情况下，为特定领域设计的AFE仍可用于更通用的传感器应用。 ADI公司指出，用于语音和电话应用的AD73311 AFE非常适合通用传感器信号采集设计。该器件的16位ADC和低延迟特性为与传感器信号采集相关的更一般要求提供了有效的解决方案。

同样，ADI公司的AD73360提供多传感器解决方案，具有6个16位ADC通道，每个通道提供77个语音频带信号带宽上的dB信噪比。每个通道同步采样以减少转换之间的延迟。因此，尽管AD73360经常应用于功率计量设计，但它特别适用于需要来自不同传感器的同步输出的多传感器应用。

Microchip Technology的MCP3901和MCP3911也可用于更广泛的信号采集应用电能计量设计通常以这些部件为目标。 MCP3901双通道模拟前端具有高精度16/24位ΣΔADC，内部可编程增益放大器（PGA），内部参考电压和相位延迟补偿。 MCU可以通过其SPI接口与MCP3901进行通信，以控制PGA，分辨率和抖动，以及调整过采样率，以控制输出数据速率高达64 ksamples/s。 MCP3911 AFE为2.7至3.6 V应用提供类似功能。

传感器专用AFE

虽然许多专业AFE可轻松跨越更普通的传感器应用，但工程师也可以找到AFE，如德州仪器的LMP AFE系列设计专门用于精密传感器信号采集。 LMP90100，LMP90099，LMP90098和LMP90097是高度可配置的多通道传感器AFE，提供围绕24位ΣΔADC构建的完整信号链（图2）。虽然LMP90100和LMP90099提供四个差分和七个单端输入，但LMP90098和LMP90097提供两个差分输入和四个单端输入。

图2：德州仪器（TI）LMP90xxx系列集成AFE在可配置架构中集成了完整的传感器信号链，可轻松适应特殊要求（德州仪器公司提供）。

与其精密24位ΣΔADC一起，该系列包括一个低噪声可编程增益放大器和一个全差分，高阻抗模拟输入多路复用器。这些器件提供两组独立的外部参考电压引脚，用于多种比率测量。此外，LMP90100和LMP90098具有两个匹配的可编程电流源，电流范围为100至1，000μA，可激励外部有源传感器。与通常需要在采样周期之间进行周期性重新校准周期的其他解决方案不同，LMP90xxx系列提供连续的背景校准功能，允许在不中断信号路径的情况下校准所有增益和输出数据速率。

ADC替代方案

虽然采样优势ΣΔADC非常适合许多必须处理嘈杂传感器环境的应用，ΣΔ方法固有的延迟和采样率限制可能对其他传感器设计无效。对于传感器信号转换需要最小延迟的设计，工程师可以转向基于替代ADC架构的IC。 ADI公司的ADAS3022在完整的信号链中集成了一个16位逐次逼近寄存器（SAR）ADC（图3）。

图3：ADI公司的ADAS3022提供完整的信号 - 基于逐次逼近寄存器（SAR）ADC的采集系统，可实现比典型的ΣΔADC解决方案更高速的信号采集（由Analog Devices提供）。

Microchip提供另一种集成AFE，提供更常见的ΣΔ的替代方案基于ADC的解决方案。与许多其他AFE架构不同，TC500提供基于双斜率ADC的精密解决方案。该器件包含积分器，过零比较器和处理器接口逻辑，并且需要正电源和负电源。 TC500提供高达16位分辨率，50/60 Hz噪声抑制，低功耗操作，最小I/O连接和低输入偏置电流。

基于MCU的解决方案

虽然集成AFE提供了MCU就绪输出，工程师还可以找到设计具有构建传感器应用所需的全部硬件功能的MCU。 ADI公司的ADuCM360是一款完全集成的3.9 ksample/s 24位数据采集系统，集成了双通道高性能多通道ΣΔADC，32位ARM®Cortex™-M3处理器和Flash/EE存储器单个芯片（图4）。

图4：工程师可以使用集成的MCU构建传感器子系统，例如ADI公司的ADuCM360，它将片内完整的模拟信号链与ARM Cortex-M3 MCU相结合（由Analog Devices提供） 。

设计人员可以在有线和电池供电的应用中直接将ADuCM360与外部传感器连接。通过输入多路复用器，两个ADC均可在全差分和单端模式下工作。 ADuCM360还集成了双可编程激励电流源，诊断电流源和偏置电压发生器，用于设置输入通道的共模电压。另外，工程师可以围绕集成MCU构建传感器解决方案，例如CY8C29x66 PSoC系列赛普拉斯半导体公司设计人员可以创建用户模块，配置CY8C29x66的片上模拟资源，以实现控制放大器，跨阻抗放大器，ADC以及信号采集和调理所需的其他功能模块。

结论

传感器信号路径设计可以面临紧迫的期限和严格的性能要求的工程师面临重大挑战。在过去，由于设计人员难以匹配元件，降低噪声并确保准确的传感器信号采集，因此需要使用放大器，滤波器和ADC“从头开始”构建传感器信号链。现有的集成AFE和MCU现在为工程师提供了近乎“插入式”传感器解决方案，而不会影响低功耗能量采集无线传感器设计的精度。