嵌入式系統(tǒng)中模擬傳感器的接口設(shè)計(jì)

傳感器概述

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

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/349453.htm 傳感器的應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)代人的生活已經(jīng)越來越離不開傳感器。例如在消費(fèi)類電子中手機(jī)的麥克風(fēng)即是一個(gè)典型的聲音傳感器；汽車中更是使用了上百個(gè)傳感器；在工業(yè)安全、能源檢測(cè)、工業(yè)控制以及過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(hào)較小，而且伴隨有噪聲。因此嵌入式芯片在處理傳感器信號(hào)之前，必須先將輸出的信號(hào)放大并濾波，然后通過AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后再進(jìn)行進(jìn)一步的處理。因此傳感器的接口系統(tǒng)中必然用到放大器、濾波器以及AD轉(zhuǎn)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(shù)與功耗，濾波器的類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及濾波器的階數(shù)，對(duì)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(zhuǎn)換器，因此還需考慮針對(duì)特定傳感器時(shí)，其片上的AD轉(zhuǎn)換器類型、分辨率、采樣速度及精度是否可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，如果不能滿足設(shè)計(jì)要求，必須選用專用AD轉(zhuǎn)換器，此時(shí)除了要考慮上述要求，還應(yīng)考慮AD轉(zhuǎn)換器與嵌入式芯片的接口方式和數(shù)據(jù)傳輸速度。

圖2所示的是通用傳感器系統(tǒng)框圖，傳感器輸出的幅度比較小的原始信號(hào)經(jīng)放大器放大后，不僅信號(hào)被放大，同時(shí)噪聲也被放大。通過濾波器將噪聲濾除并發(fā)送給AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，這一過程中噪聲及失調(diào)與漂移的誤差對(duì)信號(hào)的質(zhì)量造成很大的影響。通常噪聲來源有四個(gè)：熱噪聲、傳感器本身的噪聲、電路板布線不合理和不理想所產(chǎn)生的噪聲以及射頻干擾。而失調(diào)與漂移誤差主要來自元器件和電路板的布局與布線。由于任何運(yùn)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(biāo)是失調(diào)電壓，而由元件和電路板的布線所構(gòu)成的電路系統(tǒng)中，電流和電壓的信號(hào)隨著溫度或外部電壓的變化會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的漂移。

基于可編程數(shù)字模塊和可編程模擬模塊架構(gòu)的PSoC芯片除了具有一般MCU CPU核和其他的數(shù)字處理能力外，還包括模擬模塊的陣列和數(shù)字模塊的陣列，其中所有模擬模塊和數(shù)字模塊都是可編程的，通過編程數(shù)字模塊可以實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)字功能，而通過編程模擬模塊也可以實(shí)現(xiàn)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(hào)處理能力的系統(tǒng)級(jí)芯片。此外，PSoC芯片數(shù)字模塊之間、模擬模塊之間、數(shù)字與模擬模塊之間以及模擬模塊和數(shù)字模塊與I/O接口之間的路由非常豐富并且強(qiáng)大，這些互聯(lián)和路由中還帶有部分邏輯運(yùn)算功能，方便了用戶的使用。圖3和圖4表示了模擬模塊與數(shù)字模塊分別能實(shí)現(xiàn)的功能，可以看到模擬模塊分為CT型和SC型，其中CT模擬模塊稱為連續(xù)時(shí)間類型的模塊，SC型模擬模塊稱為開關(guān)電容型模擬模塊。

降噪：濾波器

系統(tǒng)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(diào)引起的噪聲，在系統(tǒng)中必須針對(duì)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(xiàn)低通濾波器。通過外加少量的阻容元件，可以用CT模塊實(shí)現(xiàn)Sallen-Key型低通濾波器；而使用SC開關(guān)電容模擬模塊則不需要使用任何外部元件即可實(shí)現(xiàn)低通濾波器，濾波器的性能參數(shù)通過開關(guān)電容的比率和時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，二者結(jié)構(gòu)如圖5所示。

帶通濾波器

帶通濾波器用于濾除信號(hào)頻率帶寬以外的噪聲，用PSoC的開關(guān)電源模擬模塊可以實(shí)現(xiàn)這一功能，其Q值與中心頻率在一定范圍內(nèi)可以由用戶設(shè)定，圖6中左圖所示的是開關(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。其傳遞函數(shù)表達(dá)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開關(guān)電容模擬模塊可以實(shí)現(xiàn)這一功能，其中心頻率以及陷波深度可以由用戶調(diào)節(jié)。圖7中左圖是由用兩個(gè)開光電容模擬模塊配置的二階的陷波濾波器，其傳遞函數(shù)如下，右圖為一個(gè)典型陷波濾波器的頻率特性曲線。


圖7左圖是由用兩個(gè)開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。

在PSoC基層開發(fā)環(huán)境中，為用戶提供的基于開關(guān)電容型濾波器用戶模塊可以實(shí)現(xiàn)二階濾波功能，如果有系統(tǒng)需要對(duì)噪聲信號(hào)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(xiàn)8階濾波，但在這種情況下由于PSoC的開關(guān)電容模擬模塊將全部被占用，因此AD轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換功能將無法實(shí)現(xiàn)。此外還可以使用連續(xù)時(shí)間模擬模塊實(shí)現(xiàn)由Sallen-Key型濾波器與開關(guān)電容型濾波器構(gòu)成多階濾波器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的頻率特性以及對(duì)噪聲的更多抑制，這樣就有多余的模擬模塊實(shí)現(xiàn)AD或DA轉(zhuǎn)換或其它外設(shè)功能。

由前述實(shí)例中各個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)特性曲線我們可以看到，不同類型的濾波器具有不同的幅度和相位響應(yīng)，不同的濾波器可以濾除不同的噪聲；其次，利用PSoC的開光電容模擬模塊可以構(gòu)建各種濾波器，最多可用來構(gòu)建8階低通、帶通和陷波濾波器。在PSoC的基層開發(fā)環(huán)境當(dāng)中，也提供了濾波器的設(shè)計(jì)向?qū)?，用EXCEL電子表格設(shè)計(jì)的工具可以幫助用戶輕松地實(shí)現(xiàn)各種類型的濾波器設(shè)計(jì)；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(diào)和漂移產(chǎn)生的誤差

采用相關(guān)雙采用技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱電偶信號(hào)的測(cè)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放大器放大才能被檢測(cè)到。由于CMOS運(yùn)算放大器存在1/f噪聲，而頻率為0時(shí)1/f噪聲就是運(yùn)放的失調(diào)電壓，濾波器可以濾除噪聲但無法消除失調(diào)電壓，同樣AD轉(zhuǎn)換器對(duì)于失調(diào)電壓也無能為力。雖然積分型AD轉(zhuǎn)換器和Delta Sigma型AD轉(zhuǎn)換器有較好的噪聲特性，但都不能消除失調(diào)；SAR型AD轉(zhuǎn)換器有較高的AD轉(zhuǎn)換速率，但同時(shí)更容易受到噪聲影響，也不能消除由失調(diào)電壓帶來的偏差。

相關(guān)雙采樣也稱為CDS，其實(shí)施步驟為：

1）給熱電偶信號(hào)加一個(gè)偏置電壓，偏置電壓須大于運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓，再將熱電偶的信號(hào)和偏置電壓經(jīng)過一個(gè)多路選擇器輸入到運(yùn)算放大器的輸入端；

2）先就多路選擇器選擇偏置電壓，僅對(duì)偏置電壓和噪聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(hào)電壓，而V_{OFFSET}為包含有運(yùn)放失調(diào)的偏置電壓；

3）測(cè)量含有噪聲熱電偶信號(hào)，將多路轉(zhuǎn)換器的開關(guān)切換到熱電偶信號(hào)的輸出，這時(shí)運(yùn)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(hào)V_{TC}，即：

VTC-SAMPLE=VTC+VN+VVOFFSET

4）對(duì)噪聲測(cè)量結(jié)果與信號(hào)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，由于噪聲的采樣和信號(hào)的采樣不是在同一時(shí)刻進(jìn)行，為了對(duì)噪聲測(cè)量的結(jié)果與信號(hào)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，就必須先對(duì)噪聲測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，由于噪聲測(cè)量是對(duì)信號(hào)測(cè)量的前一次測(cè)量，作為一個(gè)離散的信號(hào)，它的結(jié)果必須乘以1/Z，即：


5）計(jì)算它們之間差值：


通過采用雙線性變換將其變到S域，從而可以消除失調(diào)電壓的影響：實(shí)際上包含有失調(diào)電壓的VOFFSET是一個(gè)不隨時(shí)間變化的量，在計(jì)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(diào)無關(guān)，僅受噪聲的影響：


6）通過軟件IIR濾波器消除噪聲影響，獲得真正熱電偶信號(hào)電壓。圖8中，藍(lán)色的曲線是1/f噪聲的頻率特性曲線，綠色的曲線是經(jīng)過CDS計(jì)算和IIR濾波以后得到的頻率特性曲線，從該曲線中可以看到失調(diào)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(lán)色的曲線是1/f噪聲的頻率特性曲線，綠色的曲線是經(jīng)過CDS計(jì)算和IIR濾波以后得到的頻率特性曲線。

小電阻測(cè)量

一般情況下，測(cè)量電阻使用歐姆定律，施加電流，測(cè)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，使用大電流來測(cè)量小電阻并不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理的方法，一種測(cè)量小電阻的方法是使用交流調(diào)制和濾波，對(duì)PSoC來講，交流的實(shí)現(xiàn)和濾波處理是很容易實(shí)現(xiàn)的，如圖9所示，使用一個(gè)DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)低頻的交流信號(hào)來驅(qū)動(dòng)測(cè)量電阻RTest，RTest上的交流信號(hào)通過PSoC放大器和濾波器來進(jìn)行放大和調(diào)理。經(jīng)過PGA放大以后的交流信號(hào)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(hào)恢復(fù)為與R的阻值大小成正比的直流信號(hào)，最后由AD轉(zhuǎn)換器將其數(shù)字化，要注意，用于產(chǎn)生信號(hào)的DA轉(zhuǎn)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(hào)處理的優(yōu)勢(shì)包括：1、使用DA轉(zhuǎn)換器可以很容易的產(chǎn)生交流的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；2、交流的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過開關(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(diào)器的時(shí)鐘信號(hào)；4、帶通濾波器的帶寬可以設(shè)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(jī)的噪聲。