嵌入式系统中模拟传感器的接口设计

消除失调和漂移产生的误差

采用相关双采用技术实现热电偶信号的测量

一个K型热电偶灵敏度为40.7uV/℃，如此小的电压变化必须通过放大器放大才能被检测到。由于CMOS运算放大器存在1/f噪声，而频率为0时1/f噪声就是运放的失调电压，滤波器可以滤除噪声但无法消除失调电压，同样AD转换器对于失调电压也无能为力。虽然积分型AD转换器和Delta Sigma型AD转换器有较好的噪声特性，但都不能消除失调；SAR型AD转换器有较高的AD转换速率，但同时更容易受到噪声影响，也不能消除由失调电压带来的偏差。

相关双采样也称为CDS，其实施步骤为：

1）给热电偶信号加一个偏置电压，偏置电压须大于运算放大器的失调电压，再将热电偶的信号和偏置电压经过一个多路选择器输入到运算放大器的输入端；

2）先就多路选择器选择偏置电压，仅对偏置电压和噪声信号进行测量，此时放大器的输出电压为：

VTC-OFFSET=VN+VOFFSET

其中VN为噪声信号电压，而V_{OFFSET}为包含有运放失调的偏置电压；

3）测量含有噪声热电偶信号，将多路转换器的开关切换到热电偶信号的输出，这时运放的输出电压包括三个部分，除了前面提到的两个部分外，还包括热电偶的信号V_{TC}，即：

VTC-SAMPLE=VTC+VN+VVOFFSET

4）对噪声测量结果与信号测量结果进行运算处理，由于噪声的采样和信号的采样不是在同一时刻进行，为了对噪声测量的结果与信号测量的结果进行运算，就必须先对噪声测量的结果进行预处理，由于噪声测量是对信号测量的前一次测量，作为一个离散的信号，它的结果必须乘以1/Z，即：


5）计算它们之间差值：


通过采用双线性变换将其变到S域，从而可以消除失调电压的影响：实际上包含有失调电压的VOFFSET是一个不随时间变化的量，在计算差值时，它们被相互抵消，此时得到的电压已经与失调无关，仅受噪声的影响：


6）通过软件IIR滤波器消除噪声影响，获得真正热电偶信号电压。图8中，蓝色的曲线是1/f噪声的频率特性曲线，绿色的曲线是经过CDS计算和IIR滤波以后得到的频率特性曲线，从该曲线中可以看到失调的影响已经降为0，而0.1Hz时的1/f噪声也降低了40个dB。

图8蓝色的曲线是1/f噪声的频率特性曲线，绿色的曲线是经过CDS计算和IIR滤波以后得到的频率特性曲线。

小电阻测量

一般情况下，测量电阻使用欧姆定律，施加电流，测量电压，但小电阻必须使用大电流才能获得足够高的分辨率，使用大电流来测量小电阻并不是一个经济、合理的方法，一种测量小电阻的方法是使用交流调制和滤波，对PSoC来讲，交流的实现和滤波处理是很容易实现的，如图9所示，使用一个DA转换器产生一个低频的交流信号来驱动测量电阻RTest，RTest上的交流信号通过PSoC放大器和滤波器来进行放大和调理。经过PGA放大以后的交流信号先被送入到带通滤波器，用于滤除噪声以后，再被送入到低通滤波器，后者将交流信号恢复为与R的阻值大小成正比的直流信号，最后由AD转换器将其数字化，要注意，用于产生信号的DA转换器，其时序必须同低通滤波器的时序保持一致。

在这一例子中使用PSoC进行信号处理的优势包括：1、使用DA转换器可以很容易的产生交流的驱动信号；2、交流的激励信号经过开关电容、带通滤波器以后产生的是零相移；3、PSoC可以自动产生同步解调器的时钟信号；4、带通滤波器的带宽可以设置得非常狭窄；5、带通滤波器与低通滤波器配合，可以滤除通带以外的冲击干扰和随机的噪声。