降低倾斜传感器ADIS16209的功耗的方法介绍

简介
像倾斜传感器ADIS16209这样的传感器系统具有集成度高、规格全面的特点，采用紧凑型封装，并且价格合理，使系统开发人员能够轻松运用自己可能并不熟悉的传感器技术，从而将成本和风险降至最低。由于精度是完全按给定的功率电平确定，因而似乎会约束开发人员降低功耗的能力。但是，对于必须严格管理能量使用的应用，采用周期供电的方式为降低平均功耗提供了突破口。本文将重点讨论周期供电及其对总体功耗的影响。

我们中许多人都是在温馨的家庭环境中长大的，但父母总会冲我们大喊：“离开房间时把灯关上！我们家不是开电厂的！”实际上，他们是在教会我们一项重要的能源管理方法——周期供电，一种在不需要某项功能时关闭其电源的过程，例如在不需要进行测量时关闭传感器系统。这样做能够降低平均功耗，计算公式如下：

PON是系统处于正常工作状态时的功耗。POFF是系统处于关闭状态时的功耗。它与残留电流相关，如电源调节器要维持功率开关或关断模式所需的电流，其典型值在1µA左右。开启时间(TON)是传感器系统开启、进行所需测量并重新关闭所需的时间量。关闭时间(TOFF)取决于系统需要进行传感器测量的频繁程度。如果关闭功率远远小于开启功率，则平均功耗实际上与占空比成正比。例如，如果关闭功率为零且占空比为 10%，则平均功耗为正常工作功耗的 10%。

传感器系统综述
传感器可将温度、加速度或应力等物理量转变成电信号。为了合理使用这些电信号，传感器元件需要一些支持功能，如激励、信号调理、滤波、失调和增益调整以及温度补偿。高级传感器产品还包括模数转换，并在单封装中提供所有这些功能，从而实现完整且经过校准的传感器至数据位的转换功能。这类产品无需用户进行器件级设计或复杂表征与校正运算，能够以更少的投入实现更短的设计周期。虽然高度集成的传感器产品可减轻进行电路级设计决策的负担，但如果希望利用周期供电来降低平均功耗，仍有必要了解其内部工作原理。

图 1 显示了许多完整传感器系统相关的功能。每个传感器元件都需要一个接口电路来将元件中的物理变化转换为标准信号处理器件可用的电信号。例如，电阻应变计就是应力改变时阻抗发生变化的电阻，常以桥接电路的形式（带激励功能）将可变电阻转换成电信号。另一个例子是集成式微机电系统 (iMEMS®)惯性传感器，如加速度计和陀螺仪。它们采用小型结构，通过极板间位移改变导致电节点间电容改变，从而对惯性运动变化做出响应。可变电容元件的接口电路一般使用调制级和解调级组合，将电容变化转变成电信号。

图 1. 传感器系统示例

缓冲级为模数转换器(ADC)的输入级准备信号，可包括电平转换、增益、失调校正、缓冲和滤波功能。传感器信号经过数字化处理之后，数字处理功能便进一步增加信息值。 数字滤波 h(n) 则可降低噪声，重点关注目标频带。例如，机器健康状况检测系统可能通过一个带通滤波器来关注与一般机械装置磨损相关的频率特征。其他需要稳定的直流基准电压的传感器可能倾向于使用低通滤波器。

由于系统中很多其他器件的影响，传感器精度可能有很大的差异。为了收缩误差分布并提高测量确定性，传感器系统通常包括一个校准程序，以确定各传感器在已知激励和条件下的特性，并提供特定单位公式来校正在所有预期工作条件范围内输出。最终处理级f(n)代表特定处理，例如用于将加速度计的静态地心引力测量转变成方位角的三角关系。

周期供电考虑因素
评估传感器系统中周期供电的有效性时，设计人员必须明确采集有用数据所花的时间。图 2 显示供电时一个典型的传感器系统响应。TM是测量时间，TC 是周期时间。测量时间取决于启动时间T1、建立时间T2和数据采集时间T3。

启动时间取决于系统处理器，以及支持传感器数据采样和信号处理操作所必须运行的初始化程序。使用高度集成的传感器系统时，通常产品文档中会规定启动时间。此类产品有时会提供休眠模式，其启动时间更快，但代价是其断电功耗比关断模式要高。

建立时间可包括传感器、接口电路、滤波器和物理器件的电气特性建立时间，以及热建立时间和机械建立时间。某些情况下，这些过渡特性在上电时间内建立，因此对总体测量时间影响很小，甚至没有影响。但是，分析这些特性的最保守方法是假设这些情形是依次发生的，除非进一步分析研究可以支持更有利的同时启动和建立假设。

数据采集时间取决于所需数据样本的数量、系统处理器读取数据的速度，以及精确数据采集准备就绪后处理器可以开始工作的时间。

图 2. 周期供电期间的传感器响应