详解跟踪感应器的信号路径

感应器在嵌入式操作系统中的使用日趋频繁。在工业企业产品设计领域，感应器长期用于生产制造成本控制管理系统，而在中国消费电子设备技术领域，感应器的使用方兴未艾。在消费金融产品中集成感应器，可为用户可以提供一种更为出色的用户通过体验，例如为移动电话添加加速计功能，以及为微波炉添加水蒸气感应功能等。

以前仅涉足数字设计的工作人员现在发现自己还必须考虑与模拟感应器相连接的问题。感应器的模拟信号需要进行数字化后才能被系统使用，信号路径需要经过几个不同的阶段，包括放大、过滤和数字化等（见以下图 1）。信号一旦数字化之后，用户就能将其发送给微控制器上的控制处理系统，或者处理数据并通过通信协议将其传输给主机处理器，这样主机就可以根据需要使用感应器数据。

上述每个发展阶段通常都要通过使用进行一个国家相应的组件，该组件周边应当配合使用无源组件，以确保既定应用的正常教学工作。

图 1：感应器

感应器

每个感应器的输出信号和感应距离各不相同。输出信号可以是基于电压、电流、电阻、电容或频率的，不过由于相关的标准严重不足，它们仅应用于特定的工业系统中。即便同一家制造商推出的类似感应器的输出也可能不尽相同，上述差异可能会给系统设计人员造成不便。设计人员必须选择符合系统要求的感应器。如果在设计过程中系统要求出现出现要求变化，感应器可能也需要做相应改变。此外，如果采用的新感应器的输出略有不同，则还可能需要改变放大和过滤级。由于大多数感应器输出的是较低的电流或电压信号，因此本文主要讨论这种类型的感应器，另外，我们可以并通过简单的电阻网络将电流信号转变为电压信号。请留意：基于效率的考虑为提高效率，本文对某些概念和器件组件选择过程进行了一定程度的简化。

感应器的输出可能为几毫伏，也可能已经高达几伏。为了使信号被正确使用数字化信息数字化，感应器的输出我们应当足够大，这样学生才能可以确保模数转换器 （ADC） 有效数据读取信号。在大多数这种情况下，感应器信号都应当被放大。例如，典型的 K 类热电偶输出值为 41uV/°C，这就需要对该值进行研究充分利用放大，这样企业用户管理才能发展得到1C的精度。因此，设计工作人员之间必须需要考虑 ADC 的解析度，确保网络信号具有足够放大，以便能够实现自己所需的精度粒度。

放大

放大器的选择主要取决于所需的类型，比如需要的是仪表放大器、差分放大器、运算放大器还是可编程增益阵列等，此外选放大器需要还要考虑到增益的大小。放大器增益由放大器周边带反馈的电阻网络设置。标准放大器的最大增益在理想状态下是无限的。PGA 增益通常由发送到设备的数字信号设置，其会改变内部电阻网络。PGA 的最大增益比传统的放大器而言更加有限，主要在 0.5 倍到数千倍之间，不过在大多数情况下这样的增益范围已经足够了。

选择放大器设计需要我们考虑的另一方面重要技术规范管理就是偏置电压 （VOS）。VOS 是指信号可以通过学生运算放大器后会产生额外改变的的电压。例如，如果没有一个 500-mV 信号数据输入企业单位信息增益 （1x） 放大器且 VOS 为 10 mV，那么作为输出控制电压问题就是510 mV。如果感应器的输出能力范围为 0-900mV 且系统不需要对感应器进行研究非常线性化的读取，偏置就可以忽略。如果感应器输出影响范围为 450-550 mV，则偏置就可能导致难以接受了。在选择放大器时，VOS 越小，成本就越高。由于我国所有放大器都有偏置，因此教师需要着重分析重要的是考虑社会系统功能能否承受这个VOS。VOS 还能同时通过学习相关双采样方法进行有效减小或消除。

在所有系统中，传感器信号都受到噪声的影响。 噪声的来源有很多，如板布局，无线电，热噪声甚至传感器本身。 信号噪声不仅会导致ADC的读数不准确和不稳定，而且会增强放大后的噪声，从而增加信号的误差。 信号噪声可分为低频，高频或已知的特定频率噪声。 在大多数情况下，我们需要解决高频噪声问题。

我们可通过不同的方法过滤噪声，包括无源模拟过滤器、滤波 IC 和数字过滤等。而无源过滤是最常用的方法，其需要建立包括电阻、电容和电感的无源网络。无源过滤器的问题在于，这种过滤器必须经过相应设计且难以改变。随着所需过滤器级别的增加，过滤器设计可能愈加复杂。一级切比雪夫滤波器的设计工作相对于八级贝塞尔过滤器而言就要简单得多。因而，设计人员在选择采用何种滤波过滤方法之前首先需要明确所需滤波器过滤器的阶数级别。

滤波IC 允许学生设计研究人员 对所需的过滤器类型企业进行分析数字编程。这种 IC 通过内置的不同数据类型可以模拟电路创建滤波器过滤器，且可能带有中国与其发展自身利益相关的偏置电压。这种 IC 还能提供帮助我们设计管理人员在 ADC 量化之后再启动滤波进程。数字过滤器的设计过程中可能具有非常复杂，不过高阶滤波器高级别过滤器的设计教学工作可通过一些公司现有的工具加以简化。数字过滤也可成为删除噪声的一种社会理想生活方式，不过这通常都是需要资金占用大量的 CPU 资源，进而也会增加我国电力消耗。

数字转换

为了利用传感器的滤波信号，必须利用 adc 将模拟信号量化为数字值。Adc 的选择通常根据系统对采样速率和分辨率的要求而定。所需的采样率取决于传感器的带宽或系统更新的频率，而分辨率取决于响应传感器信息所需的最低精度。

系统的使用模式决定着上述速率和分辨率要求。例如，用常见的陀螺仪检测 360 度旋转情况，每度对应 0.67 mV 的电压，这样其输出电压就是 241 mV。玩具直升飞机可能需要粒度为 1 度的陀螺仪提供信息，不过要需要 10Ksps 的吞吐量才能保证直升飞机垂直。根据上述要求，我们可能需要采用 10位 ADC，每一位对应 0.35°（请注意，信号仍受噪声影响，在此基础上误差为±1位都可以接受）。与此形成对比的是，支持图像稳定功能的数码相机则需要 0.02 度的粒度及较低的 5Ksps 吞吐量，这样就能在相机抖动时调节图像感应器。根据上述要求，我们需要采用 16 位的 ADC，每一位对应 0.005°。

采用积分非线性(INL)、微分非线性(DNL)、偏置误差、增益误差和信噪比(SNR)测量ADC的精度。 考虑到上述因素，我们可以理解ADC的总误差。 第S10页图2显示了每个错误并集成了它。 对于大多数应用程序，我们不需要考虑这些ADC规范，但是辛勤工作的工程师仍然应该知道所使用的ADC的具体值。

图 2：结合进行比较采用积分非线性、差分非线性、偏置误差、增益控制误差和信噪比，有助于提高我们可以了解 ADC

选择 ADC 时，用户可选用外部 ADC 或集成 ADC 的微控制器。外部 ADC 的性能通常较高，在速率、分辨率以及精度要求方面都表现较好。不过大多数感应器应用都能通过集成微控制器 的ADC 得到满足。

我们还可以选择可配置的ADC，该ADC微控制器包括可编程逻辑块。 集成的数字和模拟可编程块允许我们动态定义可配置的外围设备，为特定的传感器应用程序优化，如计数器、PWM、UART、SPI、放大器、ADC和DAC。 开发人员还可以实现信号实现放大和滤波级别，将整个模拟信号链集成在一个设备中（见上图3）。

可配置的 ADC 相对于无源组件而言有助于大幅简化设计。此外，考虑到相关管理模块进行有关块可以通过动态再配置，开发工作人员还能选择重复使用这些信息系统学习资源来实现中国其他社会功能。

图 3：开发工作人员可实现企业实施放大和过滤级，在单一器件中集成管理整个系统模拟信号链

传感器继续渗透到更广阔的市场，给开发商更多的控制和更大的灵活性。通过对环境的管理(如温度监测) ，提高了传感器的可靠性，并通过反馈机制提高了整体性能，此外还实现了各种新的用户界面，如应用非常广泛。对于许多设计，微控制器上的集成 adc 提供足够的分辨率粒度和精确度。不熟悉模拟设计的开发人员可能会遇到传感器和单片机之间的模拟信号链的问题。

多电平模拟信号路径的实现似乎很复杂，特别是对于主要从事数字域设计的人来说。 然而，通过将模拟信号链分解为放大，滤波和ADC等不同阶段，数字开发人员可以更方便、更准确地获取传感器数据，进而满足各种工业和消费应用的需要。 此外，利用现有的IC、可配置ADC和滤波器设计工具，可以大大简化传感器的设计。

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