传感器的信号路径及其相关特性

数字转换

　　为了使用传感器滤波后的信号，必须用一只ADC对模拟信号作量化，使之进入数字域。ADC的选择主要是考虑系统对采样速度和分辨率的要求。所需采样速度与传感器的带宽以及系统需要刷新的速度有关。分辨率的决定因素是需要ADC响应传感器信息的间隔时间。系统的使用模型决定了这个速度以及分辨率要求。例如，一个普通陀螺仪会以0.67mV/(°)测量360°的旋转，获得241mV的输出量程。为保持垂直，一个直升机爱好者需要以1°的粒度获得陀螺仪信息，但吞吐量只有10k采样/秒。这个需求就要用一个10bit ADC，提供0.35°/bit。不过要注意，信号上仍然有噪声，±1 bit是可接受的。反之，一款防抖数码相机可能需要0.02°的粒度，但吞吐量为5k采样/秒，从而在相机振动时调整图像传感器。这种要求可能需要采用16位ADC，提供0.005°/位。

图3，将INL误差 (a)、DNL误差 (b)、增益误差 (c)、偏移误差 (d) 以及总误差相结合，就能了解一个理想ADC (f) 与实用ADC。

　　制造商以INL（整体非线性）、DNL（差分非线性）、偏移误差、增益误差和SNR（信噪比）等指标来量度ADC的精度。当把这些术语联合起来时，就提供了对ADC总误差的一个了解（图3）。对于多数应用，没有必要细究这些ADC的规格，但工程师应充分理解这些值对所用ADC的意义。你可以选择使用外接ADC，或一款内置ADC的微处理器。外接ADC有较高的精度，在速度和分辨率方面都有较高的性能。不过，大多数传感器的应用要求都能很好地适合于微控制器内置的ADC。

　　另外一种选择是采用可配置ADC，它是微控制器中包含的可编程逻辑块。集成的数字与模拟可编程块可以为每种传感器应用动态地定义可配置外设。这些块包括计数器、PWM（脉冲宽度调制器）、UART、SPI（串行外设接口）、放大器、滤波器、ADC和DAC。开发者还可以在一只器件内实现放大与滤波级，从而集成整个模拟信号链（图4）。采用可配置ADC可以得到比无源元件方法更干净的设计。另外，可以动态地重新配置这些块，这些就可以选择将这些系统资源重新利用于其它功能。

图4，开发者可以在一只器件内实现放大级与滤波级，集成整个模拟信号链。

　　传感器在继续向很多市场渗透，为人们带来更多的控制与更大的灵活性。传感器通过对环境的管理例如温度监控提高了可靠性，通过反馈机制改进了性能，并实现了新型用户接口。对于很多这些设计来说，微控制器中集成的ADC提供了足够的粒度和精度。不熟悉模拟设计的开发人员可能会在传感器与微处理器之间的模拟信号链上遇到麻烦。

　　多级模拟信号路径的实现似乎很复杂，尤其是对那些主要在数字域做设计的工程师们。不过，将模拟信号域分隔为多个放大、滤波和ADC级后，数字系统开发者就可以更容易和更精确地捕捉一系列工业与消费应用中的传感器数据。另外，不断涌现的IC、可配置ADC和滤波器设计工具等都可以大大简化传感器的设计。