數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用分析

數(shù)據(jù)采集是機(jī)器人和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵功能。 從一個(gè)能量采集源向多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)捕捉子系統(tǒng)供電的能力，讓從更多場(chǎng)所捕捉數(shù)據(jù)成為可能，并降低充電或更換電池的需求。

多通道數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)可以使用太陽(yáng)能電池或熱電發(fā)電 (TEG) 的熱能供電，但功耗是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。 使用超低功耗逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (SAR ADC)（例如 Analog Devices 的 12 位 AD7091R-5），也可以構(gòu)建此類具有較小外形的子系統(tǒng)。 這是一個(gè)越來(lái)越重要的考慮因素，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集板需要安裝到不提供主電源的較小位置。

圖 1 顯示了 AD7091R 與基于 Analog Devices 的 ADP5090 升壓穩(wěn)壓器的高能效收集電路結(jié)合的情況。這種升壓穩(wěn)壓器帶四個(gè)單端模擬傳感器輸入。 在最高 22 kSPS 采樣速率下采樣時(shí)，ADC 使用 3 V 單電源供電的典型功耗為 100 μW，且 1 kHz 輸入信號(hào)具有 68 dB 典型信噪比 (SNR)。

圖 1：將 AD7091 SAR ADC 與專為能量采集源經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 ADP5090 升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合。

12 位 SAR ADC 使用 2.7 V 至 5.25 V 單電源，包括片內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、準(zhǔn)確的基準(zhǔn)，以及在 100 kHz 標(biāo)準(zhǔn)模式和 400 kHz 快速模式下工作的 I2C 接口。 當(dāng)需要額外濾波以便 MUXOUT 引腳上出現(xiàn)有源通道的輸入信號(hào)時(shí)，多路復(fù)用器輸出將使每個(gè)通道無(wú)需信號(hào)調(diào)節(jié)電路。 VIN 引腳前的濾波器具有大約 8.6 MHz 的截止頻率，可以在 ADC 輸入端消弱噪聲，并使用低串聯(lián)電阻值消減來(lái)自 ADC 的電荷反沖；還有一個(gè)大小合適的電容器，可拉出和灌入 ADC 的高頻電荷反沖。 如果不需更多濾波或信號(hào)調(diào)節(jié)，MUXOUT 引腳將直接連接至 ADCIN。

穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓對(duì)于數(shù)據(jù)采集而言至關(guān)重要，因此片載 2.5 V 基準(zhǔn)在 REFIN/ REFOUT 引腳上可用，芯片可與此基準(zhǔn)或外部應(yīng)用的基準(zhǔn)配合工作。 配置寄存器中的 P_DOWN LSB 位的邏輯狀態(tài)確定是否使用內(nèi)部基準(zhǔn)。 當(dāng) P_DOWN LSB 位設(shè)置為 1 時(shí)，將為 ADC 選擇內(nèi)部基準(zhǔn)。 當(dāng) P_DOWN LSB 位設(shè)置為 0 時(shí)，2.5 V 至 VDD 范圍的外部基準(zhǔn)可通過(guò) REFIN/ REFOUT 引腳連接到器件中，以減少抖動(dòng)并提高準(zhǔn)確度。

內(nèi)部基準(zhǔn)電路由 2.5 V 帶隙基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖器組成，并且默認(rèn)通電時(shí)禁用，因此可以使用外部基準(zhǔn)。 那么，啟動(dòng)時(shí)更改配置位可允許 2.5 V 內(nèi)部基準(zhǔn)在 REFIN/REFOUT 引腳上使用，通常使用需要 50 ms 通電的 2.2 μF 電容器去耦至接地。 建議先緩沖內(nèi)部基準(zhǔn)，然后再將其應(yīng)用到系統(tǒng)中的其他地方。

轉(zhuǎn)換過(guò)程和數(shù)據(jù)采集通過(guò) I2C 接口和一個(gè)內(nèi)部振蕩器控制，數(shù)據(jù)可在轉(zhuǎn)換后讀取，以便在快速模式下達(dá)到 22.22 kSPS 最高吞吐率。

采樣模式使用 CONVST/GPO1 引腳，切換后會(huì)實(shí)現(xiàn) ADC 轉(zhuǎn)換，而命令模式則使用轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器的讀數(shù)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，以提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流。 但是，此器件還擁有自動(dòng)循環(huán)模式，以便在自主模式下操作，從而能夠監(jiān)視超出用戶定義范圍的事件。 這特別適合設(shè)置警報(bào)條件。 這些模式如圖 2 中的 I2C 配置模式所示。

圖 2：Analog Devices 的 AD7091 中的模式配置表。

四個(gè)單端模擬輸入通道包括一個(gè)通道定序器，該通序器允許按照順序轉(zhuǎn)換通過(guò)預(yù)編程確定的選擇結(jié)果，用戶可利用片載配置寄存器設(shè)置不同的工作條件，例如電源管理、警報(bào)功能、忙碌指示、通道定序以及通用輸出引腳。 MUXOUT 和 ADCIN 引腳還允許在 ADC 采集數(shù)據(jù)前對(duì)多路復(fù)用器輸出進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)。

AD7091R-5 使用兩個(gè)電源引腳，這對(duì)能量收集電源有一定影響。 VDRIVE 允許直接連接 1.8 V 至 5.25 V 之間的任何邏輯，但為了減少所需電源數(shù)量，可以將 VDRIVE 和 VDD 連接在一起。

此外，ADC 在寬頻率范圍內(nèi)對(duì)電源變化不敏感，因此可輕松使用能量收集源。 ADC 會(huì)在每個(gè)轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時(shí)自動(dòng)掉電，這意味著，電源會(huì)隨著采樣率呈線性擴(kuò)展，自動(dòng)掉電功能支持甚至是幾赫茲的低采樣率，以滿足能耗非常低的應(yīng)用。

然后與 ADP5090 集成升壓穩(wěn)壓器結(jié)合，轉(zhuǎn)換來(lái)自從光電池或熱電發(fā)電機(jī)的 DC 電源，用于向充電電池或超級(jí)電容器等存儲(chǔ)元件充電。 圖 3 中所示的 CN-0372 板使用超級(jí)電容器，為電子器件和無(wú)電池系統(tǒng)供電。

圖 3：CN-0372 評(píng)估板將 SAR ADC、升壓轉(zhuǎn)換器和放大器、電源轉(zhuǎn)換器結(jié)合在一起。

該板采用 16 μW 至 200 mW 輸入電源，工作損耗不足 1 微瓦。 利用內(nèi)部冷啟動(dòng)電路，該整流器可在低至 380 mV 的輸入電壓下開(kāi)始工作。 此解決方案無(wú)需外部電池向電路供電，而且能充分使用可用的可收集能量。

通過(guò)感測(cè) VIN 引腳的輸入電壓，控制環(huán)路會(huì)將輸入電壓紋波保持在固定范圍，以維持穩(wěn)定的 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換。 輸入電壓的 VIN 感測(cè)和可編程調(diào)節(jié)點(diǎn)允許從光電池或 TEG 收集器收集最高的能量。

對(duì)于太陽(yáng)能電池，最低的可編程工作閾值 (MINOP) 可在低光照條件下支持升壓關(guān)斷，同時(shí)，充電控制功能可通過(guò)監(jiān)視電池電壓來(lái)保護(hù)可充電的蓄能器件，具體包括可編程充電端接電壓和放電關(guān)斷電壓。

圖 4 中的電路可將電源從連接的能量源轉(zhuǎn)換至 J4 端子，將電荷存儲(chǔ)在超級(jí)電容器 (C26) 中，并通過(guò) SYS 電壓輸入向整個(gè)電路供電。

圖 4：從光電池或熱電發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換能量，以驅(qū)動(dòng)四通道數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

在 ENERGY_IN 引腳引入從光電池或 TEG 收集的能量。 當(dāng)此電壓超過(guò) 380 mV 時(shí)，芯片會(huì)進(jìn)入冷啟動(dòng)狀態(tài)，直到主要升壓器件啟用，這時(shí) SYS 電壓超過(guò)通常為 1.93 V 的 VSYS_TH。PGOOD 上的邏輯高電平等于 SYS 電壓，并且當(dāng)達(dá)到電池端子電壓后，主要升壓充電器關(guān)斷。

這讓穩(wěn)壓器可以在脈沖頻率模式 (PFM) 下工作，將存儲(chǔ)在輸入電容器中的能量傳輸至 SYS 以及 50 mF、3.5 V 超級(jí)電容器 (C26)。 PGOOD 閾值由外部連接器設(shè)置，表示 SYS 電壓處于可接受的電壓水平。

ADP5090 還配備有電池過(guò)度充電和深度放電保護(hù)閾值，此閾值也由外部電阻器設(shè)置。

評(píng)估該電路

將低功耗、高阻抗的 DC 電源（例如光電池或 TEG）連接至 J4 端子，然后將 SL4 和 SL5 置于位置 A，可以將 ADP5090 能量收集電路用作系統(tǒng)電源。 基于 PC 的 ADI 評(píng)估軟件然后可與 EVAL-CN0372-PMDZ 板結(jié)合使用，并通過(guò) USB 連接 PC。

結(jié)論

開(kāi)發(fā)由環(huán)境能量供電的多通道數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)需要結(jié)合低功耗 ADC 和專為能量收集而優(yōu)化的升壓轉(zhuǎn)換器。 ADC 中的集成多路復(fù)用和濾波功能可以降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)不同的配置選項(xiàng)（特別是基于自主閾值的模式）可實(shí)現(xiàn)以最低功耗監(jiān)視多個(gè)傳感器。 ADC 隨后與升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合，升壓轉(zhuǎn)換器在低電壓下使用，支持監(jiān)視充電電池或超級(jí)電容器以存儲(chǔ)所收集的能量。 評(píng)估板中整合了所有這些功能，設(shè)計(jì)人員可以了解如何捕捉數(shù)據(jù)。