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(zhǎng)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(wèn)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(guò)幾個(gè)不同的階段，包括放大、過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。請(qǐng)留意：基于效率的考慮為提高效率，本文對(duì)某些概念和器件組件選擇過(guò)程進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)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(duì)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(wú)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(lái)源有很多，如板的布局、無(wú)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(guò)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(wèn)題。

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

　　濾波IC 允許設(shè)計(jì)人員 對(duì)所需的過(guò)濾器類型進(jìn)行數(shù)字編程。這種 IC 通過(guò)內(nèi)置的不同類型模擬電路創(chuàng)建濾波器過(guò)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(guò)濾器的設(shè)計(jì)可能非常復(fù)雜，不過(guò)高階濾波器高級(jí)別過(guò)濾器的設(shè)計(jì)工作可通過(guò)一些現(xiàn)有的工具加以簡(jiǎn)化。數(shù)字過(guò)濾也可成為刪除噪聲的一種理想方式，不過(guò)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(guò) ADC 將模擬信號(hào)量化為數(shù)字值。對(duì) ADC 的選擇通常要考慮到系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(cè) 360 度旋轉(zhuǎn)情況，每度對(duì)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(guò)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(duì)應(yīng) 0.35°（請(qǐng)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(duì)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(duì)應(yīng) 0.005°。

　　ADC 的準(zhǔn)確度通過(guò)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(yè)上的圖 2 分別顯示了每種誤差并將其整合在一起。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，我們都不需要考慮上述這些 ADC 規(guī)范，不過(guò)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(guò)大多數(shù)感應(yīng)器應(yīng)用都能通過(guò)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(guò)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(duì)于無(wú)源組件而言有助于大幅簡(jiǎn)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(lái)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(guò)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(chǎng)領(lǐng)域滲透，為開發(fā)人員帶來(lái)了更多的可控性及更強(qiáng)的 靈活性。通過(guò)對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)于主要從事數(shù)字領(lǐng)域設(shè)計(jì)工作的人員來(lái)說(shuō)尤其如此。但是，通過(guò)將模擬信號(hào)鏈分解為各種不同的放大、濾波過(guò)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(chǎng)上已有的 IC、可配置 ADC 和濾波器過(guò)濾設(shè)計(jì)工具，感應(yīng)器的設(shè)計(jì)工作可得以大幅簡(jiǎn)化。