如何降低傾斜傳感器ADIS16209的功耗

簡(jiǎn)介
像傾斜傳感器ADIS16209這樣的傳感器系統具有集成度高、規格全面的特點(diǎn)，采用緊湊型封裝，并且價(jià)格合理，使系統開(kāi)發(fā)人員能夠輕松運用自己可能并不熟悉的傳感器技術(shù)，從而將成本和風(fēng)險降至最低。由于精度是完全按給定的功率電平確定，因而似乎會(huì )約束開(kāi)發(fā)人員降低功耗的能力。但是，對于必須嚴格管理能量使用的應用，采用周期供電的方式為降低平均功耗提供了突破口。本文將重點(diǎn)討論周期供電及其對總體功耗的影響。

我們中許多人都是在溫馨的家庭環(huán)境中長(cháng)大的，但父母總會(huì )沖我們大喊：“離開(kāi)房間時(shí)把燈關(guān)上！我們家不是開(kāi)電廠(chǎng)的！”實(shí)際上，他們是在教會(huì )我們一項重要的能源管理方法——周期供電，一種在不需要某項功能時(shí)關(guān)閉其電源的過(guò)程，例如在不需要進(jìn)行測量時(shí)關(guān)閉傳感器系統。這樣做能夠降低平均功耗，計算公式如下：

PON是系統處于正常工作狀態(tài)時(shí)的功耗。POFF是系統處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的功耗。它與殘留電流相關(guān)，如電源調節器要維持功率開(kāi)關(guān)或關(guān)斷模式所需的電流，其典型值在1µA左右。開(kāi)啟時(shí)間(TON)是傳感器系統開(kāi)啟、進(jìn)行所需測量并重新關(guān)閉所需的時(shí)間量。關(guān)閉時(shí)間(TOFF)取決于系統需要進(jìn)行傳感器測量的頻繁程度。如果關(guān)閉功率遠遠小于開(kāi)啟功率，則平均功耗實(shí)際上與占空比成正比。例如，如果關(guān)閉功率為零且占空比為 10%，則平均功耗為正常工作功耗的 10%。

傳感器系統綜述
傳感器可將溫度、加速度或應力等物理量轉變成電信號。為了合理使用這些電信號，傳感器元件需要一些支持功能，如激勵、信號調理、濾波、失調和增益調整以及溫度補償。高級傳感器產(chǎn)品還包括模數轉換，并在單封裝中提供所有這些功能，從而實(shí)現完整且經(jīng)過(guò)校準的傳感器至數據位的轉換功能。這類(lèi)產(chǎn)品無(wú)需用戶(hù)進(jìn)行器件級設計或復雜表征與校正運算，能夠以更少的投入實(shí)現更短的設計周期。雖然高度集成的傳感器產(chǎn)品可減輕進(jìn)行電路級設計決策的負擔，但如果希望利用周期供電來(lái)降低平均功耗，仍有必要了解其內部工作原理。

圖 1 顯示了許多完整傳感器系統相關(guān)的功能。每個(gè)傳感器元件都需要一個(gè)接口電路來(lái)將元件中的物理變化轉換為標準信號處理器件可用的電信號。例如，電阻應變計就是應力改變時(shí)阻抗發(fā)生變化的電阻，常以橋接電路的形式（帶激勵功能）將可變電阻轉換成電信號。另一個(gè)例子是集成式微機電系統 (iMEMS®)慣性傳感器，如加速度計和陀螺儀。它們采用小型結構，通過(guò)極板間位移改變導致電節點(diǎn)間電容改變，從而對慣性運動(dòng)變化做出響應?？勺冸娙菰慕涌陔娐芬话闶褂谜{制級和解調級組合，將電容變化轉變成電信號。

圖 1. 傳感器系統示例

緩沖級為模數轉換器(ADC)的輸入級準備信號，可包括電平轉換、增益、失調校正、緩沖和濾波功能。傳感器信號經(jīng)過(guò)數字化處理之后，數字處理功能便進(jìn)一步增加信息值。 數字濾波 h(n) 則可降低噪聲，重點(diǎn)關(guān)注目標頻帶。例如，機器健康狀況檢測系統可能通過(guò)一個(gè)帶通濾波器來(lái)關(guān)注與一般機械裝置磨損相關(guān)的頻率特征。其他需要穩定的直流基準電壓的傳感器可能傾向于使用低通濾波器。

由于系統中很多其他器件的影響，傳感器精度可能有很大的差異。為了收縮誤差分布并提高測量確定性，傳感器系統通常包括一個(gè)校準程序，以確定各傳感器在已知激勵和條件下的特性，并提供特定單位公式來(lái)校正在所有預期工作條件范圍內輸出。最終處理級f(n)代表特定處理，例如用于將加速度計的靜態(tài)地心引力測量轉變成方位角的三角關(guān)系。

周期供電考慮因素
評估傳感器系統中周期供電的有效性時(shí)，設計人員必須明確采集有用數據所花的時(shí)間。圖 2 顯示供電時(shí)一個(gè)典型的傳感器系統響應。TM是測量時(shí)間，TC 是周期時(shí)間。測量時(shí)間取決于啟動(dòng)時(shí)間T1、建立時(shí)間T2和數據采集時(shí)間T3。

啟動(dòng)時(shí)間取決于系統處理器，以及支持傳感器數據采樣和信號處理操作所必須運行的初始化程序。使用高度集成的傳感器系統時(shí)，通常產(chǎn)品文檔中會(huì )規定啟動(dòng)時(shí)間。此類(lèi)產(chǎn)品有時(shí)會(huì )提供休眠模式，其啟動(dòng)時(shí)間更快，但代價(jià)是其斷電功耗比關(guān)斷模式要高。

建立時(shí)間可包括傳感器、接口電路、濾波器和物理器件的電氣特性建立時(shí)間，以及熱建立時(shí)間和機械建立時(shí)間。某些情況下，這些過(guò)渡特性在上電時(shí)間內建立，因此對總體測量時(shí)間影響很小，甚至沒(méi)有影響。但是，分析這些特性的最保守方法是假設這些情形是依次發(fā)生的，除非進(jìn)一步分析研究可以支持更有利的同時(shí)啟動(dòng)和建立假設。

數據采集時(shí)間取決于所需數據樣本的數量、系統處理器讀取數據的速度，以及精確數據采集準備就緒后處理器可以開(kāi)始工作的時(shí)間。

圖 2. 周期供電期間的傳感器響應