嵌入式系統(tǒng)中跟蹤感應(yīng)器的信號(hào)路徑

　　感應(yīng)器在嵌入式系統(tǒng)中的使用日趨頻繁。在工業(yè)產(chǎn)品領(lǐng)域，感應(yīng)器長期用于制造控制系統(tǒng)，而在消費(fèi)設(shè)備領(lǐng)域，感應(yīng)器的使用方興未艾。在消費(fèi)產(chǎn)品中集成感應(yīng)器，可為用戶提供更為出色的用戶體驗(yàn)，例如為移動(dòng)電話添加加速計(jì)功能，以及為微波爐添加水蒸氣感應(yīng)功能等。

　　以前僅涉足數(shù)字設(shè)計(jì)的工作人員現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)自己還必須考慮與模擬感應(yīng)器相連接的問題。感應(yīng)器的模擬信號(hào)需要進(jìn)行數(shù)字化后才能被系統(tǒng)使用，信號(hào)路徑需要經(jīng)過幾個(gè)不同的階段，包括放大、過濾和數(shù)字化等（見以下圖 1）。信號(hào)一旦數(shù)字化之后，用戶就能將其發(fā)送給微控制器上的控制處理系統(tǒng)，或者處理數(shù)據(jù)并通過通信協(xié)議將其傳輸給主機(jī)處理器，這樣主機(jī)就可以根據(jù)需要使用感應(yīng)器數(shù)據(jù)。

　　上述每個(gè)階段通常都要使用一個(gè)相應(yīng)的組件，該組件周邊應(yīng)當(dāng)配合使用無源組件，以確保既定應(yīng)用的正常工作。

　　圖 1：感應(yīng)器

　　感應(yīng)器

　　每個(gè)感應(yīng)器的輸出信號(hào)和感應(yīng)距離各不相同。輸出信號(hào)可以是基于電壓、電流、電阻、電容或頻率的，不過由于相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重不足，它們僅應(yīng)用于特定的工業(yè)系統(tǒng)中。即便同一家制造商推出的類似感應(yīng)器的輸出也可能不盡相同，上述差異可能會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員造成不便。設(shè)計(jì)人員必須選擇符合系統(tǒng)要求的感應(yīng)器。如果在設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)要求出現(xiàn)出現(xiàn)要求變化，感應(yīng)器可能也需要做相應(yīng)改變。此外，如果采用的新感應(yīng)器的輸出略有不同，則還可能需要改變放大和過濾級(jí)。由于大多數(shù)感應(yīng)器輸出的是較低的電流或電壓信號(hào)，因此本文主要討論這種類型的感應(yīng)器，另外，我們可以并通過簡單的電阻網(wǎng)絡(luò)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。請留意：基于效率的考慮為提高效率，本文對某些概念和器件組件選擇過程進(jìn)行了一定程度的簡化。

　　感應(yīng)器的輸出可能為幾毫伏，也可能高達(dá)幾伏。為了使信號(hào)被正確數(shù)字化數(shù)字化，感應(yīng)器的輸出應(yīng)當(dāng)足夠大，這樣才能確保模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 有效讀取信號(hào)。在大多數(shù)情況下，感應(yīng)器信號(hào)都應(yīng)當(dāng)被放大。例如，典型的 K 類熱電偶輸出值為 41uV/°C，這就需要對該值進(jìn)行充分放大，這樣用戶才能得到1C的精度。因此，設(shè)計(jì)人員必須考慮 ADC 的解析度，確保信號(hào)足夠放大，以便實(shí)現(xiàn)所需的精度粒度。

　　放大

　　放大器的選擇主要取決于所需的類型，比如需要的是儀表放大器、差分放大器、運(yùn)算放大器還是可編程增益陣列等，此外選放大器需要還要考慮到增益的大小。放大器增益由放大器周邊帶反饋的電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。標(biāo)準(zhǔn)放大器的最大增益在理想狀態(tài)下是無限的。PGA 增益通常由發(fā)送到設(shè)備的數(shù)字信號(hào)設(shè)置，其會(huì)改變內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)。PGA 的最大增益比傳統(tǒng)的放大器而言更加有限，主要在 0.5 倍到數(shù)千倍之間，不過在大多數(shù)情況下這樣的增益范圍已經(jīng)足夠了。

　　選擇放大器需要考慮的另一重要規(guī)范就是偏置電壓 (VOS)。VOS 是指信號(hào)通過運(yùn)算放大器后會(huì)額外改變的的電壓。例如，如果一個(gè) 500-mV 信號(hào)輸入單位增益 (1x) 放大器且 VOS 為 10 mV，那么輸出電壓就是510 mV。如果感應(yīng)器的輸出范圍為 0-900mV 且系統(tǒng)不需要對感應(yīng)器進(jìn)行非常線性化的讀取，偏置就可以忽略。如果感應(yīng)器輸出范圍為 450-550 mV，則偏置就可能難以接受了。在選擇放大器時(shí)，VOS 越小，成本就越高。由于所有放大器都有偏置，因此需要著重重要的是考慮系統(tǒng)能否承受這個(gè)VOS。VOS 還能通過相關(guān)雙采樣進(jìn)行減小或消除。

　　在所有系統(tǒng)中，感應(yīng)器信號(hào)都會(huì)受到噪聲的影響。噪聲的來源有很多，如板的布局、無線電、熱噪聲甚至感應(yīng)器本身等。信號(hào)噪聲不僅會(huì)導(dǎo)致 ADC 的讀取不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定，而且噪聲經(jīng)過放大環(huán)節(jié)后還會(huì)增強(qiáng)，從而加大信號(hào)的誤差。信號(hào)噪聲可分為低頻、高頻或已知特定頻率噪聲。大多數(shù)情況下，我們需要解決的是高頻噪聲問題。

　　我們可通過不同的方法過濾噪聲，包括無源模擬過濾器、濾波 IC 和數(shù)字過濾等。而無源過濾是最常用的方法，其需要建立包括電阻、電容和電感的無源網(wǎng)絡(luò)。無源過濾器的問題在于，這種過濾器必須經(jīng)過相應(yīng)設(shè)計(jì)且難以改變。隨著所需過濾器級(jí)別的增加，過濾器設(shè)計(jì)可能愈加復(fù)雜。一級(jí)切比雪夫濾波器的設(shè)計(jì)工作相對于八級(jí)貝塞爾過濾器而言就要簡單得多。因而，設(shè)計(jì)人員在選擇采用何種濾波過濾方法之前首先需要明確所需濾波器過濾器的階數(shù)級(jí)別。

　　濾波IC 允許設(shè)計(jì)人員 對所需的過濾器類型進(jìn)行數(shù)字編程。這種 IC 通過內(nèi)置的不同類型模擬電路創(chuàng)建濾波器過濾器，且可能帶有與其自身相關(guān)的偏置電壓。這種 IC 還能幫助設(shè)計(jì)人員在 ADC 量化之后再啟動(dòng)濾波進(jìn)程。數(shù)字過濾器的設(shè)計(jì)可能非常復(fù)雜，不過高階濾波器高級(jí)別過濾器的設(shè)計(jì)工作可通過一些現(xiàn)有的工具加以簡化。數(shù)字過濾也可成為刪除噪聲的一種理想方式，不過這通常需要占用大量的 CPU 資源，進(jìn)而也會(huì)增加電力消耗。

　　數(shù)字轉(zhuǎn)換

　　為了使用感應(yīng)器的經(jīng)濾波后的信號(hào)，我們必須通過 ADC 將模擬信號(hào)量化為數(shù)字值。對 ADC 的選擇通常要考慮到系統(tǒng)對采樣速率和分辨率的要求。所需的采樣速率與感應(yīng)器的帶寬或系統(tǒng)的更新頻率有關(guān)，而分辨率則取決于對感應(yīng)器信息做出反應(yīng)所需的最細(xì)精度。

　　系統(tǒng)的使用模式?jīng)Q定著上述速率和分辨率要求。例如，用常見的陀螺儀檢測 360 度旋轉(zhuǎn)情況，每度對應(yīng) 0.67 mV 的電壓，這樣其輸出電壓就是 241 mV。玩具直升飛機(jī)可能需要粒度為 1 度的陀螺儀提供信息，不過要需要 10Ksps 的吞吐量才能保證直升飛機(jī)垂直。根據(jù)上述要求，我們可能需要采用 10位 ADC，每一位對應(yīng) 0.35°（請注意，信號(hào)仍受噪聲影響，在此基礎(chǔ)上誤差為±1位都可以接受）。與此形成對比的是，支持圖像穩(wěn)定功能的數(shù)碼相機(jī)則需要 0.02 度的粒度及較低的 5Ksps 吞吐量，這樣就能在相機(jī)抖動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)圖像感應(yīng)器。根據(jù)上述要求，我們需要采用 16 位的 ADC，每一位對應(yīng) 0.005°。

　　ADC 的準(zhǔn)確度通過積分非線性 (INL),、差分非線性 (DNL)、偏置誤差、增益誤差和信噪比 (SNR) 進(jìn)行衡量。綜合考慮上述因素，我們就能了解 ADC 的總誤差。第 S10 頁上的圖 2 分別顯示了每種誤差并將其整合在一起。對大多數(shù)應(yīng)用來說，我們都不需要考慮上述這些 ADC 規(guī)范，不過工作認(rèn)真的工程師仍應(yīng)了解所用 ADC 的有關(guān)具體數(shù)值。

　　圖 2：結(jié)合比較積分非線性、差分非線性、偏置誤差、增益誤差和信噪比，有助于我們了解 ADC

　　選擇 ADC 時(shí)，用戶可選用外部 ADC 或集成 ADC 的微控制器。外部 ADC 的性能通常較高，在速率、分辨率以及精度要求方面都表現(xiàn)較好。不過大多數(shù)感應(yīng)器應(yīng)用都能通過集成微控制器 的ADC 得到滿足。

　　我們還可選用可配置的 ADC，這種 ADC 微控制器中包括有可編程的邏輯塊。集成式數(shù)字和模擬可編程塊使我們可以動(dòng)態(tài)定義可配置的外設(shè)，優(yōu)化用于具體的感應(yīng)器應(yīng)用，如計(jì)數(shù)器、PWM、UART、SPI、放大器、ADC 和 DAC 等。開發(fā)人員還能實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)施放大和過濾級(jí)，在單一器件中集成整個(gè)模擬信號(hào)鏈（見以上圖 3）。

　　可配置的 ADC 相對于無源組件而言有助于大幅簡化設(shè)計(jì)。此外，考慮到相關(guān)模塊有關(guān)塊可以動(dòng)態(tài)再配置，開發(fā)人員還能選擇重復(fù)使用這些系統(tǒng)資源來實(shí)現(xiàn)其他功能。

　　圖 3：開發(fā)人員可實(shí)現(xiàn)實(shí)施放大和過濾級(jí)，在單一器件中集成整個(gè)模擬信號(hào)鏈

　　感應(yīng)器不斷向更廣泛的市場領(lǐng)域滲透，為開發(fā)人員帶來了更多的可控性及更強(qiáng)的 靈活性。通過對環(huán)境的管理（如溫度監(jiān)控），感應(yīng)器提高了可靠性，又而通過反饋機(jī)制提高了整體的性能，此外還能實(shí)現(xiàn)各種新型用戶界面，諸如此類的應(yīng)用非常廣泛。對眾多設(shè)計(jì)方案而言，微控制器上的集成式 ADC 即能提供足夠的分辨率粒度和準(zhǔn)確性。不熟悉模擬設(shè)計(jì)的開發(fā)人員在感應(yīng)器和 MCU 之間的模擬信號(hào)鏈方面可能會(huì)遇到麻煩。

　　實(shí)施多級(jí)模擬信號(hào)路徑看上去比較復(fù)雜，特別是對于主要從事數(shù)字領(lǐng)域設(shè)計(jì)工作的人員來說尤其如此。但是，通過將模擬信號(hào)鏈分解為各種不同的放大、濾波過濾和 ADC 等不同階段，數(shù)字開發(fā)人員就能更方便而準(zhǔn)確地獲取感應(yīng)器數(shù)據(jù)，進(jìn)而滿足多種工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用的需求。此外，利用市場上已有的 IC、可配置 ADC 和濾波器過濾設(shè)計(jì)工具，感應(yīng)器的設(shè)計(jì)工作可得以大幅簡化。