當(dāng)物理量發(fā)生變化時(shí)，模擬傳感器返回連續(xù)電壓。

　　當(dāng)物理量發(fā)生變化時(shí)，模擬傳感器返回連續(xù)電壓。換句話說(shuō)，在它們的輸出端，存在與所測(cè)量事件類型成比例的電位差。有數(shù)百種模擬傳感器類型，它們的最佳用途是連接到配備ADC輸入的微控制器，用于測(cè)量檢測(cè)和處理最終動(dòng)作。

　　在這里，我們探索使用兩個(gè)模擬執(zhí)行此重要操作的最佳技術(shù) 傳感器類型 進(jìn)行我們的觀察：LM35精密溫度傳感器和OH49E磁場(chǎng)傳感器(或同等產(chǎn)品)。這兩種傳感器都很便宜，在市場(chǎng)上很容易獲得。

　　溫度和磁場(chǎng)傳感器

　　LM35 是用于溫度測(cè)量的精密集成電路。它的輸出是線性的，與溫度成正比，以攝氏度為單位。它不需要外部校準(zhǔn)，并提供與溫度成比例的電壓，通常在 –55°C 和 150°C 之間。它還具有低輸出阻抗、良好的線性度測(cè)量和出色的內(nèi)部校準(zhǔn)精度。在電子系統(tǒng)中連接和使用設(shè)備是一件簡(jiǎn)單的事情。它僅吸收60 μA，因此其熱量極低，不會(huì)影響測(cè)量輸出。它可以由 4 V 至 20 V 之間的直流電壓供電以測(cè)量正溫度，也可以與雙電源一起使用以測(cè)量負(fù)溫度。輸出電壓是指溫度。

　　OH49E 體積小巧，用途廣泛 霍爾效應(yīng) 線性器件，由永磁體或電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。它比LM35溫度計(jì)小。輸出電壓取決于電源的輸出電壓，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例變化。它不需要外部濾波器，因?yàn)檩敵鍪堑驮肼暤?。?nèi)部精密電阻可確保更高的穩(wěn)定性和精度。

　　圖1顯示了兩個(gè)傳感器的主要特性。輸出電壓是指磁場(chǎng)，以高斯表示，包括正磁場(chǎng)和負(fù)磁場(chǎng)。工作溫度介于 –20°C 至 100°C 之間，電流消耗約為 4.2 mA V抄送 = 5 V。

　　圖 1：LM35 和 OH49E 傳感器及其各自的封裝、引腳排列和輸出特性曲線(來(lái)源：美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 [LM35]、南京歐卓科技 [OH49E] 數(shù)據(jù)表)

　　一次讀取一個(gè)樣本的錯(cuò)誤

　　如今，ADC系統(tǒng)廣泛用于采集和處理各種模擬數(shù)據(jù)。在 工程學(xué)校，用于這種類型的獲取的方法通常效率低下，因?yàn)榻處熗ǔＷ⒂诶碚摱皇菍?shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的實(shí)際含義。

　　即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員，最常見的錯(cuò)誤之一是在每個(gè)時(shí)間間隔通過(guò)ADC系統(tǒng)獲取單個(gè)信息樣本。盡管單次讀數(shù)很簡(jiǎn)單，但從來(lái)都不是一個(gè)好的解決方案，因?yàn)槿绻谧x取數(shù)據(jù)時(shí)噪聲或干擾影響系統(tǒng)，結(jié)果將變得不可靠。

　　圖2顯示了每秒采樣的單個(gè)溫度的錯(cuò)誤采集，沒(méi)有進(jìn)一步的、更復(fù)雜的處理。示例中的圖形是指 30 秒內(nèi)的通用溫度采集。

　　圖 2：一次采集單個(gè)樣本的 ADC 并不總是最佳解決方案。(來(lái)源：?jiǎn)掏吣帷さ犀旣悂?

　　如圖所示，由于噪聲、干擾或傳感器問(wèn)題等電氣因素，系統(tǒng)測(cè)量的一個(gè)樣本不正確，該值無(wú)疑會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生不利影響。采集溫度的平均計(jì)算返回一個(gè)異常值，因?yàn)樗€考慮了測(cè)量誤差。另一方面，固件將嘗試通過(guò)使用數(shù)學(xué)方法和智能過(guò)濾器來(lái)最小化測(cè)量誤差。

　　部分解決問(wèn)題的一種方法是丟棄超出可接受值窗口的樣本。這樣，所有高于或低于某個(gè)范圍的值將被自動(dòng)消除。隨著錯(cuò)誤樣本的增加，或者換句話說(shuō)，當(dāng)樣本偏離數(shù)據(jù)的平均值時(shí)，問(wèn)題變得更加明顯。

　　另一種選擇是使用幾何平均值而不是算術(shù)平均值來(lái)確定測(cè)量間隔的平均溫度。這種技術(shù)非常成功，并且通常是決定性的，但是由于兩者的原因，它在小型微控制器中的實(shí)現(xiàn)并不總是那么容易。 內(nèi)存和硬件電源.

　　超級(jí)采樣

　　以下示例是通用的，適用于任何類型的MCU或嵌入式系統(tǒng)，并通過(guò)偽代碼表示。設(shè)計(jì)人員可以輕松地使該方法適應(yīng)自己的邏輯系統(tǒng)。

　　圖3所示的超采樣是提高ADC分辨率的有用技術(shù)。從MCU的模擬端口讀取意味著將讀取電壓值的數(shù)字分配給整數(shù)類型變量。

　　為了更好地理解系統(tǒng)，請(qǐng)注意，1位ADC的分辨率為2.5 V，其中數(shù)字值00對(duì)應(yīng)于0 V至2.5 V之間的電壓，數(shù)字值01對(duì)應(yīng)于2.5 V至5 V之間的電壓。另一方面，2位ADC的分辨率為1.25 V，具有以下采集組合：

　　數(shù)字值 00 對(duì)應(yīng)于 0 V 和 1.25 V 之間的電壓。

　　數(shù)字值 01 對(duì)應(yīng)于 1.25 V 和 2.5 V 之間的電壓。

　　數(shù)字值 10 對(duì)應(yīng)于 2.5 V 和 3.75 V 之間的電壓。

　　數(shù)字值 11 對(duì)應(yīng)于 3.75 V 和 5 V 之間的電壓。

　　ADC系統(tǒng)中每增加一個(gè)位，模擬數(shù)據(jù)的采集容量和讀取分辨率就會(huì)翻倍。顯然，成本也與分辨率有關(guān)，因此8位ADC系統(tǒng)的成本相對(duì)較低，而24位采集電路的成本要高得多。

　　下表顯示了根據(jù)ADC位數(shù)獲得數(shù)字化電壓的可能性。

　　其方程如下：

　　例如，我們已經(jīng)看到，每秒的順序讀取節(jié)奏是一個(gè)有缺陷的解決方案，因?yàn)殡娐飞峡赡馨l(fā)生干擾。對(duì)同一端口進(jìn)行多次近距離讀取，對(duì)采集的樣本求和并計(jì)算相對(duì)算術(shù)平均值(更好的是幾何平均值)，極大地改善了結(jié)果。采集圖顯示了這種技術(shù)的有效性，特別是當(dāng)信號(hào)受到噪聲影響時(shí)。幾何平均是大多數(shù)應(yīng)用的最佳解決方案。必須使用對(duì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

　　這本質(zhì)上是超采樣方法，它允許設(shè)計(jì)人員以比當(dāng)前ADC系統(tǒng)更高的分辨率進(jìn)行“仿真”。通過(guò)執(zhí)行許多近距離采集，分辨率隨著系統(tǒng)數(shù)字速率的降低而提高，不確定性水平轉(zhuǎn)換為接近實(shí)際值的水平。在較短的時(shí)間間隔內(nèi)獲取的讀數(shù)越多，最終分辨率就越高。

　　圖 3：通過(guò)超采樣，測(cè)量更準(zhǔn)確，錯(cuò)誤率降低。(來(lái)源：?jiǎn)掏吣帷さ犀旣悂?

　　數(shù)字溫度計(jì)和磁場(chǎng)探測(cè)器

　　現(xiàn)在我們可以談?wù)剶?shù)字溫度計(jì)的兩個(gè)電路圖和 磁場(chǎng)探測(cè)器 與 LM35 和 OH49E 集成電路配合使用(圖 4)。

　　圖4：溫度傳感器和磁場(chǎng)探測(cè)器的示意圖(來(lái)源：Giovanni Di Maria)

　　兩個(gè)圖均提供5 V電壓。輸出端子必須連接到微控制器的ADC。電阻R1根據(jù)LM35的官方數(shù)據(jù)表計(jì)算，具有以下關(guān)系：

　　理論上，可以簡(jiǎn)單地將測(cè)試儀連接到兩個(gè)傳感器的輸出端，讀取輸出電壓并將其轉(zhuǎn)換為有效的溫度和磁場(chǎng)測(cè)量值。當(dāng)然，使用微控制器，操作更簡(jiǎn)單，并且還可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中。兩個(gè)傳感器提供電壓，必須使用適當(dāng)?shù)墓綄⑵滢D(zhuǎn)換為各自的物理量。

　　在以 V 運(yùn)行的系統(tǒng)中裁判 5 V 和 10 位 ADC 時(shí)，使用 LM35 計(jì)算溫度的公式如下：

　　以下公式可用于在具有 5V 基準(zhǔn)電壓和 10 位 ADC 的系統(tǒng)中使用 OH49E 集成電路確定磁場(chǎng)：

　　還應(yīng)該記住，1 特斯拉 = 10，000 高斯，因此可以輕松完成此轉(zhuǎn)換。

　　偽代碼

　　第一個(gè)偽代碼現(xiàn)在涉及從模擬傳感器采集數(shù)據(jù)。(我們?cè)跈z查中使用的兩個(gè)傳感器之間的區(qū)別是無(wú)關(guān)緊要的，因?yàn)樵硎窍嗤?，并且適用于兩者。

　　假設(shè)我們想每秒獲取一個(gè)溫度(或磁場(chǎng)值)。第一個(gè)偽代碼適用于任何系統(tǒng)，涉及無(wú)需任何處理即可簡(jiǎn)單獲取樣本的原始數(shù)據(jù)。在這種情況下，錄音可能會(huì)受到錯(cuò)誤和干擾的影響。

　　另一方面，性能更高、效率更高的源列表涉及使用超級(jí)采樣，在這種情況下，每秒執(zhí)行 100 次。如圖5所示，通過(guò)提高超采樣程度，信號(hào)得到改善并變得更清晰，特別是線路上可能發(fā)生的任何零星噪聲。

　　圖 5：來(lái)自模擬溫度計(jì)的信號(hào)通過(guò)不同程度的過(guò)采樣進(jìn)行數(shù)字化。(來(lái)源：?jiǎn)掏吣帷さ犀旣悂?

　　圖表的第一次記錄(頂部和黑色)顯示了信號(hào)的“原始”采集，使用之前看到的傳統(tǒng)技術(shù)。圖形的第二個(gè)記錄(紅色)顯示了過(guò)采樣度為 10 的信號(hào)采集。該值模擬大約 13 位的 ADC 分辨率。第三個(gè)圖形記錄(綠色)顯示過(guò)采樣率為100的信號(hào)采集。該值模擬大約 16 位的 ADC 分辨率。圖中的第四條記錄(藍(lán)色)顯示了過(guò)采樣度為 1，000 的信號(hào)采集。該值模擬大約 20 位的 ADC 分辨率。

　　換句話說(shuō)，我們已經(jīng)以零成本將ADC從10位轉(zhuǎn)換為20位。

　　最 高級(jí)別的 ADC

　　使用過(guò)采樣通常意味著提高嵌入式系統(tǒng)或MCU的ADC分辨率。一個(gè) 微控制器 例如，配備10位數(shù)字模擬輸入，只需引入過(guò)采樣概念即可提高其分辨率。下表顯示了通過(guò)一個(gè)虛擬采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的分辨率，從過(guò)采樣程度開始。

　　這意味著，如果源代碼中的循環(huán)包括 100 個(gè)求和和平均步長(zhǎng)，則根據(jù)以下基本公式，就好像一個(gè)人的 ADC 的分辨率為 16.6438 位：

　　公式中的十進(jìn)制位數(shù)對(duì)于計(jì)算的準(zhǔn)確性很重要。要獲得整數(shù)位數(shù)，始終建議使用冪為 2 的超級(jí)采樣度，以控制最終分辨率(2、4、8、16 等)。

　　超采樣技術(shù)可以大大提高使用模擬傳感器的數(shù)據(jù)采集電路的性能。實(shí)際上，該方法提高了系統(tǒng)的信噪比。超級(jí)采樣可用于增強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍，即使這樣做需要編寫一些額外的源代碼。

　　一個(gè)警告提醒：由于傳感器引腳排列可能因型號(hào)而異，因此始終建議仔細(xì)檢查它們。

　　本文最初發(fā)表于 電子電氣時(shí)報(bào).

　　Giovanni Di Maria一直喜歡電子，數(shù)學(xué)和DIY。他是一名計(jì)算機(jī)程序員，也是一名計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)老師。他喜歡數(shù)字，他總是在尋找大的質(zhì)數(shù)。他還寫了一本關(guān)于PIC Microcontroller 16F84使用mikroBasic編程的書。他是Elektrosoft的所有者，Elektrosoft是一家處理電子和信息技術(shù)的公司。他是一名全職培訓(xùn)師和老師。