簡介
像傾斜傳感器ADIS16209這樣的傳感器系統(tǒng)具有集成度高、規(guī)格全面的特點(diǎn)，采用緊湊型封裝，并且價(jià)格合理，使系統(tǒng)開發(fā)人員能夠輕松運(yùn)用自己可能并不熟悉的傳感器技術(shù)，從而將成本和風(fēng)險(xiǎn)降至最低。由于精度是完全按給定的功率電平確定，因而似乎會約束開發(fā)人員降低功耗的能力。但是，對于必須嚴(yán)格管理能量使用的應(yīng)用，采用周期供電的方式為降低平均功耗提供了突破口。本文將重點(diǎn)討論周期供電及其對總體功耗的影響。

我們中許多人都是在溫馨的家庭環(huán)境中長大的，但父母總會沖我們大喊：“離開房間時(shí)把燈關(guān)上！我們家不是開電廠的！”實(shí)際上，他們是在教會我們一項(xiàng)重要的能源管理方法——周期供電，一種在不需要某項(xiàng)功能時(shí)關(guān)閉其電源的過程，例如在不需要進(jìn)行測量時(shí)關(guān)閉傳感器系統(tǒng)。這樣做能夠降低平均功耗，計(jì)算公式如下：

PON是系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)的功耗。POFF是系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的功耗。它與殘留電流相關(guān)，如電源調(diào)節(jié)器要維持功率開關(guān)或關(guān)斷模式所需的電流，其典型值在1µA左右。開啟時(shí)間(TON)是傳感器系統(tǒng)開啟、進(jìn)行所需測量并重新關(guān)閉所需的時(shí)間量。關(guān)閉時(shí)間(TOFF)取決于系統(tǒng)需要進(jìn)行傳感器測量的頻繁程度。如果關(guān)閉功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開啟功率，則平均功耗實(shí)際上與占空比成正比。例如，如果關(guān)閉功率為零且占空比為 10%，則平均功耗為正常工作功耗的 10%。

傳感器系統(tǒng)綜述
傳感器可將溫度、加速度或應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)變成電信號。為了合理使用這些電信號，傳感器元件需要一些支持功能，如激勵(lì)、信號調(diào)理、濾波、失調(diào)和增益調(diào)整以及溫度補(bǔ)償。高級傳感器產(chǎn)品還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在單封裝中提供所有這些功能，從而實(shí)現(xiàn)完整且經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器至數(shù)據(jù)位的轉(zhuǎn)換功能。這類產(chǎn)品無需用戶進(jìn)行器件級設(shè)計(jì)或復(fù)雜表征與校正運(yùn)算，能夠以更少的投入實(shí)現(xiàn)更短的設(shè)計(jì)周期。雖然高度集成的傳感器產(chǎn)品可減輕進(jìn)行電路級設(shè)計(jì)決策的負(fù)擔(dān)，但如果希望利用周期供電來降低平均功耗，仍有必要了解其內(nèi)部工作原理。

圖 1 顯示了許多完整傳感器系統(tǒng)相關(guān)的功能。每個(gè)傳感器元件都需要一個(gè)接口電路來將元件中的物理變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號處理器件可用的電信號。例如，電阻應(yīng)變計(jì)就是應(yīng)力改變時(shí)阻抗發(fā)生變化的電阻，常以橋接電路的形式（帶激勵(lì)功能）將可變電阻轉(zhuǎn)換成電信號。另一個(gè)例子是集成式微機(jī)電系統(tǒng) (iMEMS®)慣性傳感器，如加速度計(jì)和陀螺儀。它們采用小型結(jié)構(gòu)，通過極板間位移改變導(dǎo)致電節(jié)點(diǎn)間電容改變，從而對慣性運(yùn)動變化做出響應(yīng)?？勺冸娙菰慕涌陔娐芬话闶褂谜{(diào)制級和解調(diào)級組合，將電容變化轉(zhuǎn)變成電信號。

圖 1. 傳感器系統(tǒng)示例

緩沖級為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入級準(zhǔn)備信號，可包括電平轉(zhuǎn)換、增益、失調(diào)校正、緩沖和濾波功能。傳感器信號經(jīng)過數(shù)字化處理之后，數(shù)字處理功能便進(jìn)一步增加信息值。 數(shù)字濾波 h(n) 則可降低噪聲，重點(diǎn)關(guān)注目標(biāo)頻帶。例如，機(jī)器健康狀況檢測系統(tǒng)可能通過一個(gè)帶通濾波器來關(guān)注與一般機(jī)械裝置磨損相關(guān)的頻率特征。其他需要穩(wěn)定的直流基準(zhǔn)電壓的傳感器可能傾向于使用低通濾波器。

由于系統(tǒng)中很多其他器件的影響，傳感器精度可能有很大的差異。為了收縮誤差分布并提高測量確定性，傳感器系統(tǒng)通常包括一個(gè)校準(zhǔn)程序，以確定各傳感器在已知激勵(lì)和條件下的特性，并提供特定單位公式來校正在所有預(yù)期工作條件范圍內(nèi)輸出。最終處理級f(n)代表特定處理，例如用于將加速度計(jì)的靜態(tài)地心引力測量轉(zhuǎn)變成方位角的三角關(guān)系。

周期供電考慮因素
評估傳感器系統(tǒng)中周期供電的有效性時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須明確采集有用數(shù)據(jù)所花的時(shí)間。圖 2 顯示供電時(shí)一個(gè)典型的傳感器系統(tǒng)響應(yīng)。TM是測量時(shí)間，TC 是周期時(shí)間。測量時(shí)間取決于啟動時(shí)間T1、建立時(shí)間T2和數(shù)據(jù)采集時(shí)間T3。

啟動時(shí)間取決于系統(tǒng)處理器，以及支持傳感器數(shù)據(jù)采樣和信號處理操作所必須運(yùn)行的初始化程序。使用高度集成的傳感器系統(tǒng)時(shí)，通常產(chǎn)品文檔中會規(guī)定啟動時(shí)間。此類產(chǎn)品有時(shí)會提供休眠模式，其啟動時(shí)間更快，但代價(jià)是其斷電功耗比關(guān)斷模式要高。

建立時(shí)間可包括傳感器、接口電路、濾波器和物理器件的電氣特性建立時(shí)間，以及熱建立時(shí)間和機(jī)械建立時(shí)間。某些情況下，這些過渡特性在上電時(shí)間內(nèi)建立，因此對總體測量時(shí)間影響很小，甚至沒有影響。但是，分析這些特性的最保守方法是假設(shè)這些情形是依次發(fā)生的，除非進(jìn)一步分析研究可以支持更有利的同時(shí)啟動和建立假設(shè)。

數(shù)據(jù)采集時(shí)間取決于所需數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量、系統(tǒng)處理器讀取數(shù)據(jù)的速度，以及精確數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備就緒后處理器可以開始工作的時(shí)間。

圖 2. 周期供電期間的傳感器響應(yīng)

分析示例
本示例通過評估一個(gè)完全集成的 MEMS 傾斜傳感器來確定影響精度和測量時(shí)間的參數(shù)，從而明確功率與性能的重要關(guān)系。以下四個(gè)步驟對此過程提供了簡單的指引：