嵌入式系統中模擬傳感器的接口設計

傳感器概述

嵌入式系統中的嵌入式芯片所處理的信號分為兩類(lèi)：數字信號與模擬信號。模擬信號通常來(lái)自于傳感器，圖1所示為部分傳感器的照片及其檢測的物理量，這些傳感器大都輸出模擬的電信號。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/349453.htm 傳感器的應用非常廣泛，現代人的生活已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi)傳感器。例如在消費類(lèi)電子中手機的麥克風(fēng)即是一個(gè)典型的聲音傳感器；汽車(chē)中更是使用了上百個(gè)傳感器；在工業(yè)安全、能源檢測、工業(yè)控制以及過(guò)程控制中同樣使用了各式各樣的傳感器。
一般情況下，傳感器輸出的模擬信號較小，而且伴隨有噪聲。因此嵌入式芯片在處理傳感器信號之前，必須先將輸出的信號放大并濾波，然后通過(guò)AD轉換器將模擬信號轉換成數字信號后再進(jìn)行進(jìn)一步的處理。因此傳感器的接口系統中必然用到放大器、濾波器以及AD轉換器，在選擇這些器件的時(shí)候，需要以下因素：放大器的放大倍數與功耗，濾波器的類(lèi)型、拓撲結構以及濾波器的階數，對于低通濾波器還需考慮截止頻率。目前很多嵌入式芯片都包含AD轉換器，因此還需考慮針對特定傳感器時(shí)，其片上的AD轉換器類(lèi)型、分辨率、采樣速度及精度是否可以滿(mǎn)足系統設計要求，如果不能滿(mǎn)足設計要求，必須選用專(zhuān)用AD轉換器，此時(shí)除了要考慮上述要求，還應考慮AD轉換器與嵌入式芯片的接口方式和數據傳輸速度。

圖2所示的是通用傳感器系統框圖，傳感器輸出的幅度比較小的原始信號經(jīng)放大器放大后，不僅信號被放大，同時(shí)噪聲也被放大。通過(guò)濾波器將噪聲濾除并發(fā)送給AD轉換器進(jìn)行AD轉換，這一過(guò)程中噪聲及失調與漂移的誤差對信號的質(zhì)量造成很大的影響。通常噪聲來(lái)源有四個(gè)：熱噪聲、傳感器本身的噪聲、電路板布線(xiàn)不合理和不理想所產(chǎn)生的噪聲以及射頻干擾。而失調與漂移誤差主要來(lái)自元器件和電路板的布局與布線(xiàn)。由于任何運算放大器都不可能是理想放大器，其中一個(gè)重要的技術(shù)指標是失調電壓，而由元件和電路板的布線(xiàn)所構成的電路系統中，電流和電壓的信號隨著(zhù)溫度或外部電壓的變化會(huì )產(chǎn)生信號的漂移。

基于可編程數字模塊和可編程模擬模塊架構的PSoC芯片除了具有一般MCU CPU核和其他的數字處理能力外，還包括模擬模塊的陣列和數字模塊的陣列，其中所有模擬模塊和數字模塊都是可編程的，通過(guò)編程數字模塊可以實(shí)現特定的數字功能，而通過(guò)編程模擬模塊也可以實(shí)現特定的模擬處理功能，因此PSoC芯片是一個(gè)真正具有混合信號處理能力的系統級芯片。此外，PSoC芯片數字模塊之間、模擬模塊之間、數字與模擬模塊之間以及模擬模塊和數字模塊與I/O接口之間的路由非常豐富并且強大，這些互聯(lián)和路由中還帶有部分邏輯運算功能，方便了用戶(hù)的使用。圖3和圖4表示了模擬模塊與數字模塊分別能實(shí)現的功能，可以看到模擬模塊分為CT型和SC型，其中CT模擬模塊稱(chēng)為連續時(shí)間類(lèi)型的模塊，SC型模擬模塊稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電容型模擬模塊。

降噪：濾波器

系統中的噪聲源除了上述的熱噪聲、電路板噪聲、傳感器噪聲和外部環(huán)境的噪聲外，還包括1/f噪聲和失調引起的噪聲，在系統中必須針對不同的噪聲選擇不同的濾波器，如：低通濾波器可以濾除高頻噪聲，高通濾波器濾除低頻噪聲，帶通濾波器濾除通帶以外的噪聲，帶阻濾波器濾除特定頻率噪聲。

低通濾波器

低通濾波器是最常用的噪聲濾波器，用PSoC芯片的CT模擬模塊和SC模擬模塊都可以實(shí)現低通濾波器。通過(guò)外加少量的阻容元件，可以用CT模塊實(shí)現Sallen-Key型低通濾波器；而使用SC開(kāi)關(guān)電容模擬模塊則不需要使用任何外部元件即可實(shí)現低通濾波器，濾波器的性能參數通過(guò)開(kāi)關(guān)電容的比率和時(shí)鐘頻率進(jìn)行調節，二者結構如圖5所示。

帶通濾波器

帶通濾波器用于濾除信號頻率帶寬以外的噪聲，用PSoC的開(kāi)關(guān)電源模擬模塊可以實(shí)現這一功能，其Q值與中心頻率在一定范圍內可以由用戶(hù)設定，圖6中左圖所示的是開(kāi)關(guān)電容模塊配置的帶通濾波器，右圖為典型的帶通濾波器的頻率特性曲線(xiàn)。其傳遞函數表達式為：


陷波濾波器

陷波濾波器即帶阻濾波器，可以濾除某些特定頻率的噪聲，用PSoC開(kāi)關(guān)電容模擬模塊可以實(shí)現這一功能，其中心頻率以及陷波深度可以由用戶(hù)調節。圖7中左圖是由用兩個(gè)開(kāi)光電容模擬模塊配置的二階的陷波濾波器，其傳遞函數如下，右圖為一個(gè)典型陷波濾波器的頻率特性曲線(xiàn)。


圖7左圖是由用兩個(gè)開(kāi)光電容模擬模塊配置的二階的陷波濾波器，右圖為一個(gè)典型陷波濾波器的頻率特性曲線(xiàn)。

在PSoC基層開(kāi)發(fā)環(huán)境中，為用戶(hù)提供的基于開(kāi)關(guān)電容型濾波器用戶(hù)模塊可以實(shí)現二階濾波功能，如果有系統需要對噪聲信號進(jìn)行更多的抑制或需要得到比較好的頻率特性，可使用多階濾波器。PSoC芯片最多可實(shí)現8階濾波，但在這種情況下由于PSoC的開(kāi)關(guān)電容模擬模塊將全部被占用，因此AD轉換和DA轉換功能將無(wú)法實(shí)現。此外還可以使用連續時(shí)間模擬模塊實(shí)現由Sallen-Key型濾波器與開(kāi)關(guān)電容型濾波器構成多階濾波器，實(shí)現系統所需的頻率特性以及對噪聲的更多抑制，這樣就有多余的模擬模塊實(shí)現AD或DA轉換或其它外設功能。

由前述實(shí)例中各個(gè)濾波器的頻率響應特性曲線(xiàn)我們可以看到，不同類(lèi)型的濾波器具有不同的幅度和相位響應，不同的濾波器可以濾除不同的噪聲；其次，利用PSoC的開(kāi)光電容模擬模塊可以構建各種濾波器，最多可用來(lái)構建8階低通、帶通和陷波濾波器。在PSoC的基層開(kāi)發(fā)環(huán)境當中，也提供了濾波器的設計向導，用EXCEL電子表格設計的工具可以幫助用戶(hù)輕松地實(shí)現各種類(lèi)型的濾波器設計；第三，在賽普拉斯網(wǎng)站上也提供了相關(guān)的筆記。

消除失調和漂移產(chǎn)生的誤差

采用相關(guān)雙采用技術(shù)實(shí)現熱電偶信號的測量

一個(gè)K型熱電偶靈敏度為40.7uV/℃，如此小的電壓變化必須通過(guò)放大器放大才能被檢測到。由于CMOS運算放大器存在1/f噪聲，而頻率為0時(shí)1/f噪聲就是運放的失調電壓，濾波器可以濾除噪聲但無(wú)法消除失調電壓，同樣AD轉換器對于失調電壓也無(wú)能為力。雖然積分型AD轉換器和Delta Sigma型AD轉換器有較好的噪聲特性，但都不能消除失調；SAR型AD轉換器有較高的AD轉換速率，但同時(shí)更容易受到噪聲影響，也不能消除由失調電壓帶來(lái)的偏差。

相關(guān)雙采樣也稱(chēng)為CDS，其實(shí)施步驟為：

1）給熱電偶信號加一個(gè)偏置電壓，偏置電壓須大于運算放大器的失調電壓，再將熱電偶的信號和偏置電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)多路選擇器輸入到運算放大器的輸入端；

2）先就多路選擇器選擇偏置電壓，僅對偏置電壓和噪聲信號進(jìn)行測量，此時(shí)放大器的輸出電壓為：

VTC-OFFSET=VN+VOFFSET

其中VN為噪聲信號電壓，而V_{OFFSET}為包含有運放失調的偏置電壓；

3）測量含有噪聲熱電偶信號，將多路轉換器的開(kāi)關(guān)切換到熱電偶信號的輸出，這時(shí)運放的輸出電壓包括三個(gè)部分，除了前面提到的兩個(gè)部分外，還包括熱電偶的信號V_{TC}，即：

VTC-SAMPLE=VTC+VN+VVOFFSET

4）對噪聲測量結果與信號測量結果進(jìn)行運算處理，由于噪聲的采樣和信號的采樣不是在同一時(shí)刻進(jìn)行，為了對噪聲測量的結果與信號測量的結果進(jìn)行運算，就必須先對噪聲測量的結果進(jìn)行預處理，由于噪聲測量是對信號測量的前一次測量，作為一個(gè)離散的信號，它的結果必須乘以1/Z，即：


5）計算它們之間差值：


通過(guò)采用雙線(xiàn)性變換將其變到S域，從而可以消除失調電壓的影響：實(shí)際上包含有失調電壓的VOFFSET是一個(gè)不隨時(shí)間變化的量，在計算差值時(shí)，它們被相互抵消，此時(shí)得到的電壓已經(jīng)與失調無(wú)關(guān)，僅受噪聲的影響：


6）通過(guò)軟件IIR濾波器消除噪聲影響，獲得真正熱電偶信號電壓。圖8中，藍色的曲線(xiàn)是1/f噪聲的頻率特性曲線(xiàn)，綠色的曲線(xiàn)是經(jīng)過(guò)CDS計算和IIR濾波以后得到的頻率特性曲線(xiàn)，從該曲線(xiàn)中可以看到失調的影響已經(jīng)降為0，而0.1Hz時(shí)的1/f噪聲也降低了40個(gè)dB。

圖8藍色的曲線(xiàn)是1/f噪聲的頻率特性曲線(xiàn)，綠色的曲線(xiàn)是經(jīng)過(guò)CDS計算和IIR濾波以后得到的頻率特性曲線(xiàn)。

小電阻測量

一般情況下，測量電阻使用歐姆定律，施加電流，測量電壓，但小電阻必須使用大電流才能獲得足夠高的分辨率，使用大電流來(lái)測量小電阻并不是一個(gè)經(jīng)濟、合理的方法，一種測量小電阻的方法是使用交流調制和濾波，對PSoC來(lái)講，交流的實(shí)現和濾波處理是很容易實(shí)現的，如圖9所示，使用一個(gè)DA轉換器產(chǎn)生一個(gè)低頻的交流信號來(lái)驅動(dòng)測量電阻RTest，RTest上的交流信號通過(guò)PSoC放大器和濾波器來(lái)進(jìn)行放大和調理。經(jīng)過(guò)PGA放大以后的交流信號先被送入到帶通濾波器，用于濾除噪聲以后，再被送入到低通濾波器，后者將交流信號恢復為與R的阻值大小成正比的直流信號，最后由AD轉換器將其數字化，要注意，用于產(chǎn)生信號的DA轉換器，其時(shí)序必須同低通濾波器的時(shí)序保持一致。

在這一例子中使用PSoC進(jìn)行信號處理的優(yōu)勢包括：1、使用DA轉換器可以很容易的產(chǎn)生交流的驅動(dòng)信號；2、交流的激勵信號經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電容、帶通濾波器以后產(chǎn)生的是零相移；3、PSoC可以自動(dòng)產(chǎn)生同步解調器的時(shí)鐘信號；4、帶通濾波器的帶寬可以設置得非常狹窄；5、帶通濾波器與低通濾波器配合，可以濾除通帶以外的沖擊干擾和隨機的噪聲。