能量收集已成為為監測環境因素而設計的無線傳感器節點供電的有效方法。然而，對于傳感器子系統本身，工程師在構建合適的解決方案時可能面臨重大挑戰，從而增加了緊湊項目進度的延遲。對于許多傳感器設計，工程師可以利用可用的低功耗模擬前端（AFE）和IC制造商的專用MCU，包括ADI公司，賽普拉斯半導體公司，Microchip Technology公司和德州儀器公司等。傳感器系統，工程師傳統上依靠手工構建合適的信號鏈，結合運算放大器，比較器和可靠地收集傳感器數據所需的相關組件。雖然從傳感器獲取信號的概念看起來很簡單，但工程師發現自己面臨著一系列實際問題，例如傳感器驅動和輸出要求，采樣率，信號路徑校準，性能和傳感器診斷，所有這些都在分配的功率預算范圍內。在信號路徑本身內，與元件匹配，偏移調整，電路板布局和附近噪聲源相關的挑戰增加了構建有效模擬信號路徑的復雜性。

信號要求

因為傳感器輸出信號非常小，傳感器信號路徑通常需要具有極低失調電壓的低噪聲可編程增益放大器（PGA），以及低溫和偏移漂移，以減少引入錯誤的可能性。在許多情況下，傳感器的共模電壓輸出遠大于感興趣的信號，因此一些設計可能需要具有足夠高的共模抑制比的放大器。

由于傳感器信號小且對整體靈敏度高噪聲，傳感器信號路徑通常還包括設計用于限制本底噪聲的設計元件。這些設計通常采用濾波器來限制信號帶寬并降低噪聲貢獻。此外，斬波穩定放大器可用于減少放大器1/f噪聲的誤差。最后，使用ΣΔADC及其過采樣轉換方法有助于降低噪聲和相關的噪聲濾波要求。

傳感器設計還需要為有源傳感器（如電阻）提供穩定的激勵電壓或電流源以及低溫漂溫度探測器（RTD）和應變計。這些設計通常提供比例輸出，其中MCU的最終輸出是傳感器輸出與激勵參考電壓的比率，使得輸出有效地免受激發源的變化。因此，在大多數情況下，激勵參考電壓源不需要是昂貴的高精度電源。

集成AFE

傳統上，AFE IC結合了模擬信號調理子系統的所有組件，包括運算放大器，單個封裝中的濾波器和相關電路。今天，集成趨勢也將ADC放在芯片上，提供了一個全面的信號鏈，能夠將傳感器的模擬輸出與MCU的數字輸入連接起來（圖1）。

圖1：典型的傳感器信號鏈結合了帶寬限制濾波，低噪聲可編程增益放大器和用于連接傳感器和MCU的ADC（由德州儀器公司提供）。集成AFE IC集成了完整傳感器信號路徑的所有元件，為工程師提供了近乎可靠的解決方案，該解決方案已經過匹配，調整和符合性能要求。事實上，工程師可以找到專為特定應用領域設計的集成AFE IC，包括通信和醫療等。在某些情況下，為特定領域設計的AFE仍可用于更通用的傳感器應用。 ADI公司指出，用于語音和電話應用的AD73311 AFE非常適合通用傳感器信號采集設計。該器件的16位ADC和低延遲特性為與傳感器信號采集相關的更一般要求提供了有效的解決方案。

同樣，ADI公司的AD73360提供多傳感器解決方案，具有6個16位ADC通道，每個通道提供77個語音頻帶信號帶寬上的dB信噪比。每個通道同步采樣以減少轉換之間的延遲。因此，盡管AD73360經常應用于功率計量設計，但它特別適用于需要來自不同傳感器的同步輸出的多傳感器應用。

Microchip Technology的MCP3901和MCP3911也可用于更廣泛的信號采集應用電能計量設計通常以這些部件為目標。 MCP3901雙通道模擬前端具有高精度16/24位ΣΔADC，內部可編程增益放大器（PGA），內部參考電壓和相位延遲補償。 MCU可以通過其SPI接口與MCP3901進行通信，以控制PGA，分辨率和抖動，以及調整過采樣率，以控制輸出數據速率高達64 ksamples/s。 MCP3911 AFE為2.7至3.6 V應用提供類似功能。

傳感器專用AFE

雖然許多專業AFE可輕松跨越更普通的傳感器應用，但工程師也可以找到AFE，如德州儀器的LMP AFE系列設計專門用于精密傳感器信號采集。 LMP90100，LMP90099，LMP90098和LMP90097是高度可配置的多通道傳感器AFE，提供圍繞24位ΣΔADC構建的完整信號鏈（圖2）。雖然LMP90100和LMP90099提供四個差分和七個單端輸入，但LMP90098和LMP90097提供兩個差分輸入和四個單端輸入。

圖2：德州儀器（TI）LMP90xxx系列集成AFE在可配置架構中集成了完整的傳感器信號鏈，可輕松適應特殊要求（德州儀器公司提供）。

與其精密24位ΣΔADC一起，該系列包括一個低噪聲可編程增益放大器和一個全差分，高阻抗模擬輸入多路復用器。這些器件提供兩組獨立的外部參考電壓引腳，用于多種比率測量。此外，LMP90100和LMP90098具有兩個匹配的可編程電流源，電流范圍為100至1，000μA，可激勵外部有源傳感器。與通常需要在采樣周期之間進行周期性重新校準周期的其他解決方案不同，LMP90xxx系列提供連續的背景校準功能，允許在不中斷信號路徑的情況下校準所有增益和輸出數據速率。

ADC替代方案

雖然采樣優勢ΣΔADC非常適合許多必須處理嘈雜傳感器環境的應用，ΣΔ方法固有的延遲和采樣率限制可能對其他傳感器設計無效。對于傳感器信號轉換需要最小延遲的設計，工程師可以轉向基于替代ADC架構的IC。 ADI公司的ADAS3022在完整的信號鏈中集成了一個16位逐次逼近寄存器（SAR）ADC（圖3）。

圖3：ADI公司的ADAS3022提供完整的信號 - 基于逐次逼近寄存器（SAR）ADC的采集系統，可實現比典型的ΣΔADC解決方案更高速的信號采集（由Analog Devices提供）。

Microchip提供另一種集成AFE，提供更常見的ΣΔ的替代方案基于ADC的解決方案。與許多其他AFE架構不同，TC500提供基于雙斜率ADC的精密解決方案。該器件包含積分器，過零比較器和處理器接口邏輯，并且需要正電源和負電源。 TC500提供高達16位分辨率，50/60 Hz噪聲抑制，低功耗操作，最小I/O連接和低輸入偏置電流。

基于MCU的解決方案

雖然集成AFE提供了MCU就緒輸出，工程師還可以找到設計具有構建傳感器應用所需的全部硬件功能的MCU。 ADI公司的ADuCM360是一款完全集成的3.9 ksample/s 24位數據采集系統，集成了雙通道高性能多通道ΣΔADC，32位ARM?Cortex?-M3處理器和Flash/EE存儲器單個芯片（圖4）。

圖4：工程師可以使用集成的MCU構建傳感器子系統，例如ADI公司的ADuCM360，它將片內完整的模擬信號鏈與ARM Cortex-M3 MCU相結合（由Analog Devices提供） 。

設計人員可以在有線和電池供電的應用中直接將ADuCM360與外部傳感器連接。通過輸入多路復用器，兩個ADC均可在全差分和單端模式下工作。 ADuCM360還集成了雙可編程激勵電流源，診斷電流源和偏置電壓發生器，用于設置輸入通道的共模電壓。另外，工程師可以圍繞集成MCU構建傳感器解決方案，例如CY8C29x66 PSoC系列賽普拉斯半導體公司設計人員可以創建用戶模塊，配置CY8C29x66的片上模擬資源，以實現控制放大器，跨阻抗放大器，ADC以及信號采集和調理所需的其他功能模塊。

結論

傳感器信號路徑設計可以面臨緊迫的期限和嚴格的性能要求的工程師面臨重大挑戰。在過去，由于設計人員難以匹配元件，降低噪聲并確保準確的傳感器信號采集，因此需要使用放大器，濾波器和ADC“從頭開始”構建傳感器信號鏈。現有的集成AFE和MCU現在為工程師提供了近乎“插入式”傳感器解決方案，而不會影響低功耗能量采集無線傳感器設計的精度。