采用低功耗模擬前端與MCU優(yōu)化能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

能量收集已成為為監(jiān)測(cè)環(huán)境因素而設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)供電的有效方法。然而，對(duì)于傳感器子系統(tǒng)本身，工程師在構(gòu)建合適的解決方案時(shí)可能面臨重大挑戰(zhàn)，從而增加了緊湊項(xiàng)目進(jìn)度的延遲。對(duì)于許多傳感器設(shè)計(jì)，工程師可以利用可用的低功耗模擬前端（AFE）和IC制造商的專(zhuān)用MCU，包括ADI公司，賽普拉斯半導(dǎo)體公司，Microchip Technology公司和德州儀器公司等。傳感器系統(tǒng)，工程師傳統(tǒng)上依靠手工構(gòu)建合適的信號(hào)鏈，結(jié)合運(yùn)算放大器，比較器和可靠地收集傳感器數(shù)據(jù)所需的相關(guān)組件。雖然從傳感器獲取信號(hào)的概念看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但工程師發(fā)現(xiàn)自己面臨著一系列實(shí)際問(wèn)題，例如傳感器驅(qū)動(dòng)和輸出要求，采樣率，信號(hào)路徑校準(zhǔn)，性能和傳感器診斷，所有這些都在分配的功率預(yù)算范圍內(nèi)。在信號(hào)路徑本身內(nèi)，與元件匹配，偏移調(diào)整，電路板布局和附近噪聲源相關(guān)的挑戰(zhàn)增加了構(gòu)建有效模擬信號(hào)路徑的復(fù)雜性。

信號(hào)要求

因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲂盘?hào)非常小，傳感器信號(hào)路徑通常需要具有極低失調(diào)電壓的低噪聲可編程增益放大器（PGA），以及低溫和偏移漂移，以減少引入錯(cuò)誤的可能性。在許多情況下，傳感器的共模電壓輸出遠(yuǎn)大于感興趣的信號(hào)，因此一些設(shè)計(jì)可能需要具有足夠高的共模抑制比的放大器。

由于傳感器信號(hào)小且對(duì)整體靈敏度高噪聲，傳感器信號(hào)路徑通常還包括設(shè)計(jì)用于限制本底噪聲的設(shè)計(jì)元件。這些設(shè)計(jì)通常采用濾波器來(lái)限制信號(hào)帶寬并降低噪聲貢獻(xiàn)。此外，斬波穩(wěn)定放大器可用于減少放大器1/f噪聲的誤差。最后，使用ΣΔADC及其過(guò)采樣轉(zhuǎn)換方法有助于降低噪聲和相關(guān)的噪聲濾波要求。

傳感器設(shè)計(jì)還需要為有源傳感器（如電阻）提供穩(wěn)定的激勵(lì)電壓或電流源以及低溫漂溫度探測(cè)器（RTD）和應(yīng)變計(jì)。這些設(shè)計(jì)通常提供比例輸出，其中MCU的最終輸出是傳感器輸出與激勵(lì)參考電壓的比率，使得輸出有效地免受激發(fā)源的變化。因此，在大多數(shù)情況下，激勵(lì)參考電壓源不需要是昂貴的高精度電源。

集成AFE

傳統(tǒng)上，AFE IC結(jié)合了模擬信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)的所有組件，包括運(yùn)算放大器，單個(gè)封裝中的濾波器和相關(guān)電路。今天，集成趨勢(shì)也將ADC放在芯片上，提供了一個(gè)全面的信號(hào)鏈，能夠?qū)鞲衅鞯哪M輸出與MCU的數(shù)字輸入連接起來(lái)（圖1）。

圖1：典型的傳感器信號(hào)鏈結(jié)合了帶寬限制濾波，低噪聲可編程增益放大器和用于連接傳感器和MCU的ADC（由德州儀器公司提供）。集成AFE IC集成了完整傳感器信號(hào)路徑的所有元件，為工程師提供了近乎可靠的解決方案，該解決方案已經(jīng)過(guò)匹配，調(diào)整和符合性能要求。事實(shí)上，工程師可以找到專(zhuān)為特定應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的集成AFE IC，包括通信和醫(yī)療等。在某些情況下，為特定領(lǐng)域設(shè)計(jì)的AFE仍可用于更通用的傳感器應(yīng)用。 ADI公司指出，用于語(yǔ)音和電話(huà)應(yīng)用的AD73311 AFE非常適合通用傳感器信號(hào)采集設(shè)計(jì)。該器件的16位ADC和低延遲特性為與傳感器信號(hào)采集相關(guān)的更一般要求提供了有效的解決方案。

同樣，ADI公司的AD73360提供多傳感器解決方案，具有6個(gè)16位ADC通道，每個(gè)通道提供77個(gè)語(yǔ)音頻帶信號(hào)帶寬上的dB信噪比。每個(gè)通道同步采樣以減少轉(zhuǎn)換之間的延遲。因此，盡管AD73360經(jīng)常應(yīng)用于功率計(jì)量設(shè)計(jì)，但它特別適用于需要來(lái)自不同傳感器的同步輸出的多傳感器應(yīng)用。

Microchip Technology的MCP3901和MCP3911也可用于更廣泛的信號(hào)采集應(yīng)用電能計(jì)量設(shè)計(jì)通常以這些部件為目標(biāo)。 MCP3901雙通道模擬前端具有高精度16/24位ΣΔADC，內(nèi)部可編程增益放大器（PGA），內(nèi)部參考電壓和相位延遲補(bǔ)償。 MCU可以通過(guò)其SPI接口與MCP3901進(jìn)行通信，以控制PGA，分辨率和抖動(dòng)，以及調(diào)整過(guò)采樣率，以控制輸出數(shù)據(jù)速率高達(dá)64 ksamples/s。 MCP3911 AFE為2.7至3.6 V應(yīng)用提供類(lèi)似功能。

傳感器專(zhuān)用AFE

雖然許多專(zhuān)業(yè)AFE可輕松跨越更普通的傳感器應(yīng)用，但工程師也可以找到AFE，如德州儀器的LMP AFE系列設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)用于精密傳感器信號(hào)采集。 LMP90100，LMP90099，LMP90098和LMP90097是高度可配置的多通道傳感器AFE，提供圍繞24位ΣΔADC構(gòu)建的完整信號(hào)鏈（圖2）。雖然LMP90100和LMP90099提供四個(gè)差分和七個(gè)單端輸入，但LMP90098和LMP90097提供兩個(gè)差分輸入和四個(gè)單端輸入。

圖2：德州儀器（TI）LMP90xxx系列集成AFE在可配置架構(gòu)中集成了完整的傳感器信號(hào)鏈，可輕松適應(yīng)特殊要求（德州儀器公司提供）。

與其精密24位ΣΔADC一起，該系列包括一個(gè)低噪聲可編程增益放大器和一個(gè)全差分，高阻抗模擬輸入多路復(fù)用器。這些器件提供兩組獨(dú)立的外部參考電壓引腳，用于多種比率測(cè)量。此外，LMP90100和LMP90098具有兩個(gè)匹配的可編程電流源，電流范圍為100至1，000μA，可激勵(lì)外部有源傳感器。與通常需要在采樣周期之間進(jìn)行周期性重新校準(zhǔn)周期的其他解決方案不同，LMP90xxx系列提供連續(xù)的背景校準(zhǔn)功能，允許在不中斷信號(hào)路徑的情況下校準(zhǔn)所有增益和輸出數(shù)據(jù)速率。

ADC替代方案

雖然采樣優(yōu)勢(shì)ΣΔADC非常適合許多必須處理嘈雜傳感器環(huán)境的應(yīng)用，ΣΔ方法固有的延遲和采樣率限制可能對(duì)其他傳感器設(shè)計(jì)無(wú)效。對(duì)于傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換需要最小延遲的設(shè)計(jì)，工程師可以轉(zhuǎn)向基于替代ADC架構(gòu)的IC。 ADI公司的ADAS3022在完整的信號(hào)鏈中集成了一個(gè)16位逐次逼近寄存器（SAR）ADC（圖3）。

圖3：ADI公司的ADAS3022提供完整的信號(hào) - 基于逐次逼近寄存器（SAR）ADC的采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)比典型的ΣΔADC解決方案更高速的信號(hào)采集（由Analog Devices提供）。

Microchip提供另一種集成AFE，提供更常見(jiàn)的ΣΔ的替代方案基于ADC的解決方案。與許多其他AFE架構(gòu)不同，TC500提供基于雙斜率ADC的精密解決方案。該器件包含積分器，過(guò)零比較器和處理器接口邏輯，并且需要正電源和負(fù)電源。 TC500提供高達(dá)16位分辨率，50/60 Hz噪聲抑制，低功耗操作，最小I/O連接和低輸入偏置電流。

基于MCU的解決方案

雖然集成AFE提供了MCU就緒輸出，工程師還可以找到設(shè)計(jì)具有構(gòu)建傳感器應(yīng)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位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了雙通道高性能多通道ΣΔADC，32位ARM?Cortex?-M3處理器和Flash/EE存儲(chǔ)器單個(gè)芯片（圖4）。

圖4：工程師可以使用集成的MCU構(gòu)建傳感器子系統(tǒng)，例如ADI公司的ADuCM360，它將片內(nèi)完整的模擬信號(hào)鏈與ARM Cortex-M3 MCU相結(jié)合（由Analog Devices提供） 。

設(shè)計(jì)人員可以在有線(xiàn)和電池供電的應(yīng)用中直接將ADuCM360與外部傳感器連接。通過(guò)輸入多路復(fù)用器，兩個(gè)ADC均可在全差分和單端模式下工作。 ADuCM360還集成了雙可編程激勵(lì)電流源，診斷電流源和偏置電壓發(fā)生器，用于設(shè)置輸入通道的共模電壓。另外，工程師可以圍繞集成MCU構(gòu)建傳感器解決方案，例如CY8C29x66 PSoC系列賽普拉斯半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建用戶(hù)模塊，配置CY8C29x66的片上模擬資源，以實(shí)現(xiàn)控制放大器，跨阻抗放大器，ADC以及信號(hào)采集和調(diào)理所需的其他功能模塊。

結(jié)論

傳感器信號(hào)路徑設(shè)計(jì)可以面臨緊迫的期限和嚴(yán)格的性能要求的工程師面臨重大挑戰(zhàn)。在過(guò)去，由于設(shè)計(jì)人員難以匹配元件，降低噪聲并確保準(zhǔn)確的傳感器信號(hào)采集，因此需要使用放大器，濾波器和ADC“從頭開(kāi)始”構(gòu)建傳感器信號(hào)鏈。現(xiàn)有的集成AFE和MCU現(xiàn)在為工程師提供了近乎“插入式”傳感器解決方案，而不會(huì)影響低功耗能量采集無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)計(jì)的精度。