如何降低傾斜傳感器ADIS16209的功耗

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，采用緊湊型封裝，并且價格合理，使系統(tǒng)開發(fā)人員能夠輕松運用自己可能并不熟悉的傳感器技術，從而將成本和風險降至最低。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，對于必須嚴格管理能量使用的應用，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：“離開房間時把燈關上！我們家不是開電廠的！”實際上，他們是在教會我們一項重要的能源管理方法——周期供電，一種在不需要某項功能時關閉其電源的過程，例如在不需要進行測量時關閉傳感器系統(tǒng)。這樣做能夠降低平均功耗，計算公式如下：

PON是系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時的功耗。POFF是系統(tǒng)處于關閉狀態(tài)時的功耗。它與殘留電流相關，如電源調節(jié)器要維持功率開關或關斷模式所需的電流，其典型值在1µA左右。開啟時間(TON)是傳感器系統(tǒng)開啟、進行所需測量并重新關閉所需的時間量。關閉時間(TOFF)取決于系統(tǒng)需要進行傳感器測量的頻繁程度。如果關閉功率遠遠小于開啟功率，則平均功耗實際上與占空比成正比。例如，如果關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、加速度或應力等物理量轉變成電信號。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、信號調理、濾波、失調和增益調整以及溫度補償。高級傳感器產品還包括模數轉換，并在單封裝中提供所有這些功能，從而實現完整且經過校準的傳感器至數據位的轉換功能。這類產品無需用戶進行器件級設計或復雜表征與校正運算，能夠以更少的投入實現更短的設計周期。雖然高度集成的傳感器產品可減輕進行電路級設計決策的負擔，但如果希望利用周期供電來降低平均功耗，仍有必要了解其內部工作原理。

圖 1 顯示了許多完整傳感器系統(tǒng)相關的功能。每個傳感器元件都需要一個接口電路來將元件中的物理變化轉換為標準信號處理器件可用的電信號。例如，電阻應變計就是應力改變時阻抗發(fā)生變化的電阻，常以橋接電路的形式（帶激勵功能）將可變電阻轉換成電信號。另一個例子是集成式微機電系統(tǒng) (iMEMS®)慣性傳感器，如加速度計和陀螺儀。它們采用小型結構，通過極板間位移改變導致電節(jié)點間電容改變，從而對慣性運動變化做出響應。可變電容元件的接口電路一般使用調制級和解調級組合，將電容變化轉變成電信號。

圖 1. 傳感器系統(tǒng)示例

緩沖級為模數轉換器(ADC)的輸入級準備信號，可包括電平轉換、增益、失調校正、緩沖和濾波功能。傳感器信號經過數字化處理之后，數字處理功能便進一步增加信息值。 數字濾波 h(n) 則可降低噪聲，重點關注目標頻帶。例如，機器健康狀況檢測系統(tǒng)可能通過一個帶通濾波器來關注與一般機械裝置磨損相關的頻率特征。其他需要穩(wěn)定的直流基準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)通常包括一個校準程序，以確定各傳感器在已知激勵和條件下的特性，并提供特定單位公式來校正在所有預期工作條件范圍內輸出。最終處理級f(n)代表特定處理，例如用于將加速度計的靜態(tài)地心引力測量轉變成方位角的三角關系。

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，設計人員必須明確采集有用數據所花的時間。圖 2 顯示供電時一個典型的傳感器系統(tǒng)響應。TM是測量時間，TC 是周期時間。測量時間取決于啟動時間T1、建立時間T2和數據采集時間T3。

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

建立時間可包括傳感器、接口電路、濾波器和物理器件的電氣特性建立時間，以及熱建立時間和機械建立時間。某些情況下，這些過渡特性在上電時間內建立，因此對總體測量時間影響很小，甚至沒有影響。但是，分析這些特性的最保守方法是假設這些情形是依次發(fā)生的，除非進一步分析研究可以支持更有利的同時啟動和建立假設。

數據采集時間取決于所需數據樣本的數量、系統(tǒng)處理器讀取數據的速度，以及精確數據采集準備就緒后處理器可以開始工作的時間。

圖 2. 周期供電期間的傳感器響應