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(多图) 嵌入式系统中模拟传感器的接口设计

赛普拉斯半导体公司?? 2008年12月05日 ?? 收藏0

  传感器概述

  嵌入式系统中的嵌入式芯片所处理的信号分为两类:数字信号与模拟信号。模拟信号通常来自于传感器,图1所示为部分传感器的照片及其检测的物理量,这些传感器大都输出模拟的电信号。

部分传感器的照片及其检测的物理量

  传感器的应用非常广泛,现代人的生活已经越来越离不开传感器。例如在消费类电子中手机的麦克风即是一个典型的声音传感器;汽车中更是使用了上百个传感器;在工业安全、能源检测、工业控制以及过程控制中同样使用了各式各样的传感器。

  一般情况下,传感器输出的模拟信号较小,而且伴随有噪声。因此嵌入式芯片在处理传感器信号之前,必须先将输出的信号放大并滤波,然后通过AD转换器将模拟信号转换成数字信号后再进行进一步的处理。因此传感器的接口系统中必然用到放大器、滤波器以及AD转换器,在选择这些器件的时候,需要以下因素:放大器的放大倍数与功耗,滤波器的类型、拓扑结构以及滤波器的阶数,对于低通滤波器还需考虑截止频率。目前很多嵌入式芯片都包含AD转换器,因此还需考虑针对特定传感器时,其片上的AD转换器类型、分辨率、采样速度及精度是否可以满足系统设计要求,如果不能满足设计要求,必须选用专用AD转换器,此时除了要考虑上述要求,还应考虑AD转换器与嵌入式芯片的接口方式和数据传输速度。

  图2所示的是通用传感器系统框图,传感器输出的幅度比较小的原始信号经放大器放大后,不仅信号被放大,同时噪声也被放大。通过滤波器将噪声滤除并发送给AD转换器进行AD转换,这一过程中噪声及失调与漂移的误差对信号的质量造成很大的影响。通常噪声来源有四个:热噪声、传感器本身的噪声、电路板布线不合理和不理想所产生的噪声以及射频干扰。而失调与漂移误差主要来自元器件和电路板的布局与布线。由于任何运算放大器都不可能是理想放大器,其中一个重要的技术指标是失调电压,而由元件和电路板的布线所构成的电路系统中,电流和电压的信号随着温度或外部电压的变化会产生信号的漂移。

通用传感器系统框图

  基于可编程数字模块和可编程模拟模块架构的PSoC芯片除了具有一般MCU CPU核和其他的数字处理能力外,还包括模拟模块的阵列和数字模块的阵列,其中所有模拟模块和数字模块都是可编程的,通过编程数字模块可以实现特定的数字功能,而通过编程模拟模块也可以实现特定的模拟处理功能,因此PSoC芯片是一个真正具有混合信号处理能力的系统级芯片。此外,PSoC芯片数字模块之间、模拟模块之间、数字与模拟模块之间以及模拟模块和数字模块与I/O接口之间的路由非常丰富并且强大,这些互联和路由中还带有部分逻辑运算功能,方便了用户的使用。图3和图4表示了模拟模块与数字模块分别能实现的功能,可以看到模拟模块分为CT型和SC型,其中CT模拟模块称为连续时间类型的模块,SC型模拟模块称为开关电容型模拟模块。

PSoC芯片模拟模块实现的功能

PSoC芯片数字模块实现的功能

  降噪:滤波器

  系统中的噪声源除了上述的热噪声、电路板噪声、传感器噪声和外部环境的噪声外,还包括1/f噪声和失调引起的噪声,在系统中必须针对不同的噪声选择不同的滤波器,如:低通滤波器可以滤除高频噪声,高通滤波器滤除低频噪声,带通滤波器滤除通带以外的噪声,带阻滤波器滤除特定频率噪声。

  低通滤波器

  低通滤波器是最常用的噪声滤波器,用PSoC芯片的CT模拟模块和SC模拟模块都可以实现低通滤波器。通过外加少量的阻容元件,可以用CT模块实现Sallen-Key型低通滤波器;而使用SC开关电容模拟模块则不需要使用任何外部元件即可实现低通滤波器,滤波器的性能参数通过开关电容的比率和时钟频率进行调节,二者结构如图5所示。

用PSoC芯片的CT模拟模块和SC模拟模块都可以实现低通滤波器

  带通滤波器

  带通滤波器用于滤除信号频率带宽以外的噪声,用PSoC的开关电源模拟模块可以实现这一功能,其Q值与中心频率在一定范围内可以由用户设定,图6中左图所示的是开关电容模块配置的带通滤波器,右图为典型的带通滤波器的频率特性曲线。其传递函数表达式为:

公式

左图所示的是开关电容模块配置的带通滤波器


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嵌入式? 模拟传感器? 接口?

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