如果您设计的是蜂窝电话、笔记本电脑或其他大批量便携式产品，那么您就知道半导体行业一直在加班加点地帮助您将设计迁移到低电压和低功耗。如今，几乎任何你想要的数字IC功能都有低功耗3V版本。

这在世界上正变得同样真实。为大批量应用开发的集成电路和技术现在也可以利用中型工业和医疗器械的设计。例如，最初用于在PDA中读取笔位的低压A/D转换器也可用于测量手持式医疗产品中的葡萄糖水平。

所面临的挑战

挑战在于设计传感器和系统a /D转换器之间的电路。由于低功耗和小电压跨度的限制，从传感器获得真实信号的稳定表示的问题变得非常复杂。考虑到精确数据采集的标准是12位线性(即4,096分之一)。这意味着在2.5V跨度(3V系统)中最低有效位仅为0.6mV。

在图1，系统电源与电压跨度进行比较。在这张图中，您可以看到在单个3V系统中获取信号所需的相对精度是正负15V系统所需的8倍。出色的运放(如流行的op -07)提高了这些宽跨度的奢华性，其电压偏移小于100µV。

图1所示 萎缩的LSB。

不幸的是，你不能带着像OP-07这样的老朋友一起去3V陆地。它们被指定只能在±15V下工作。幸运的是，可以使用3V导轨进行精确数据采集。你只需要结交新朋友，学会利用旧朋友的新方法。

一些设计者考虑产生更高电压的电源，然后将结果设计移植到便携式领域。这些设计人员发现，与尝试解决低压设计问题相比，仅仅制造正负5V或正负10V电源要容易得多。尽管许多第一次设计便携式仪器的人都想这样做，但有几个原因说明这不是一个好方法。

第一个也是最明显的原因是权力。例如，当您将主3V电源增加三倍并将其逆变为正负9V时，电路的功率将增加10倍，并考虑到效率损失。此外，使用dc - dc转换器建立双电压轨会引起传导和噪声问题，这在便携式仪器的狭窄范围内很难消除。

单一铁路供应目标

即使只用一对9V电池的线性稳压器就能产生双电源，整个系统也会变得笨重——即使噪音不是问题。一般来说，用5V或3V的单电源轨设计系统更容易、更便宜。然而，在特殊情况下，可能需要使用小型、安静且屏蔽良好的电容式电荷泵来开发具有中等输出电流能力的更高或更低电压。

显然，用于简单单电源设计的设计技术是不同的。规则是遵循一种能够更好地利用系统中所有可用资源的综合方法。尤其重要的是，要充分利用微处理器和软件来处理那些使用这些组件可以更好地解决的问题。

研究误差来源

但是，在开始使用微处理器方法之前，请研究您的错误来源。设计任何系统都包括围绕错误源进行设计，并将其影响最小化。使用的工具是某种形式的错误预算，然后是试验设计方法和系统分区。

下表列出了数据采集系统中常见的一些错误来源。表中的数字表示具有2.5V跨度、50kHz带宽和100增益的12位系统的典型值。

如果你读过运放数据表，你会对这些错误很熟悉。所列出的错误与数据表上的错误相同，但在最终系统中而不是在单个组件中表现出来。不幸的是，大多数误差与电源电压不成比例，这使得它们在低电压下更加显著。

表:典型误差来源及解决方法

*总未调整误差

漂移的意义

在大多数情况下，误差的绝对大小不如其随温度或时间的漂移重要。在使用紧密耦合的微处理器或微控制器的便携式仪器中尤其如此。由增益误差、偏置误差或传感器或系统其他部分的非线性特性引起的误差源应在软件中进行校正。

尝试线性化、精确的跨度和在域中的零调整是没有意义的。由于两个主要原因，硬件设计任务今天被简化了。首先，处理器的性能非常便宜。在软件中进行传感器线性化要容易得多，即使使用了粗略的查询表方法。其次，缩短的跨度使许多更聪明的电路技巧更难完成，特别是对于不是专家的工程师来说。

使用处理器方法，错误源只需要管理得足够好，以产生可重复和稳定的输入到您的A/D转换器和CPU。这仍然需要大量的努力、对细节的关注和设计技巧。您必须真正将A/D转换器，CPU和软件算法视为传感器采集电路的一部分，而不是紧随其后的智能电压表。

内部接口

大多数基于传感器的电路在努力使最终输出在0到x伏范围内时会产生额外的误差。例如，虽然这在工业4mA到20mA的发射器中是需要的，但在嵌入式便携式仪器中完全没有必要拥有如此干净的内部接口。

当涉及到微处理器时，如果电路的范围是0.2346V到2.4139V，那么它的输出与测量参数通过二次公式相关并不重要。一旦这些绝对电压被A/D转换器转换成数字，通过一个简单的公式或查找这些数字很容易在软件中完成。如果不是，你最好花些时间简化软件，而不是让电路变得更复杂。

看到图2． 这是一个典型的基于传感器的便携式仪器的数据采集部分的框图，包括一个CPU和系统软件。在软件中进行传感器线性化要容易得多，即使使用了粗略的查询表方法。即使是中等功能的处理器也可以处理同步解调、平均、直方图和一些DSP。着眼于关键领域的权衡，看看这些区块的目的。

图2 通用传感器数据采集模块。

让我们先考虑传感器。为了有效地为其设计接口，了解传感器的物理和等效电路非常重要。许多传感器利用传统的励磁源，在便携式仪器中可能不需要。

一个很好的例子是1mA源，通常用于激发铂RTD(电阻温度检测器)温度测量传感器。电阻器可以代替电流源，当进行其他校正时，可以在软件中去除分压器效应。

信号链中的第一个模块是前置放大器。它放大或缓冲原始传感器信号，以保持最大的信噪比。这部分电路需要在设计时非常小心，并对传感器等效电路有最多的了解。给定的传感器有经典的前置放大器，如激励电路。这些通常可以用现代低功耗组件实现。

对于具有非常高的直流增益和有限的偏移量的系统，将“轨道”信号处理链，偏移量D/A转换器可以是一个很好的方法来零系统。但这应该尽可能避免。

Postamp需求

链中的下一个区块是邮戳。该装置提供简单的增益，假设前置放大器成功地从泥浆中提升输入信号。如果有必要，这个模块的增益可以调节，但通常使用更多的A/D转换器分辨率比诉诸可编程增益更好。如果精度很重要，则仅在必要时使用Rail-to-Rail 输入和输出放大器。这些部件通常具有复杂的输入和交叉区域，这可能使精确操作变得困难。

postamp之后通常是一个过滤阶段。该滤波器设计用于在需要时将输入信号限制在A/D采样频率的一半以下。

采样保持、参考和A/D转换器功能通常在单个芯片中可用。但是，它们的误差源应该单独考虑。大多数现代A/D转换器具有难以驱动的高电容性输入。

对于不重要的设计，许多转换器的内部参考是一个方便的功能。但是对于精确的设计，外部参考几乎是必要的。最好是完全消除引用。考虑一个比率设计，其中参考来自激励信号。下面的示例使用了这种技术。

最后，看看CPU和软件。由于CPU嵌入在系统中，所以可以而且应该使用CPU密集型技术。应该考虑同步解调，平均，直方图，快速傅立叶变换(fft)或其他DSP方法-即使使用适度的微控制器。

示例:便携式RTD接口应用程序

下面是一个使用上面讨论的一些技术的设计示例。它是一款RTD(电阻温度检测器)温度计，范围为-50°C至+175°C，分辨率优于0.1°C。这种单电源3V设计的平均电流为25µA，同时进行20次转换/秒。

传感器RT1是铂金RTD，标称电阻为100欧姆(在0°C时)。其电阻在-50℃时为80.3欧姆，在+185℃时为170.3欧姆。(rtd不是线性的;它们遵循一个非常明确的抛物线曲线，在很小的程度内。)

励磁源由电阻R4和R5组成，作为电桥的一部分。它们通过RTD将电流限制在约1mA。R4和R5之间的抽头用于推导比率参考。励磁由晶体管Q1控制。它还提供开/关控制，以节省电力。请注意，电桥右侧的R3和R12导线也会产生约1mA的电流。因此，传感器子系统在接通时吸收2mA。双运放由相同的开关导轨供电，但与电阻电流相比，其34µA的漏极可以忽略不计。

U1B (Maxim MAX478运算放大器的一半)由前置放大器和后置放大器组成(这里只需要一个级)。MAX478指定用于低于3V的操作，并且具有与OP-07相当的直流偏置。它只需要17µA的电源电流。虽然它不是轨对轨运放，但它可以在地面和正轨电压内感应。使用3V电源供电时，轻载时输出可摆至2.2V。

在本应用中，MAX478被配置为增益为20的差分放大器。它减去R12上的电压，这校正了RTD上80.3欧姆的失调电阻。一旦抵消消除，差放放大RTD电压的变化增益19。这使得输出1.8V满量程在175°C。

由于RTD的缓慢响应特性，不需要滤波器。此外，由于传感器的低阻抗，来自外部源(如60Hz线)的干扰不是问题。

A/D转换器是Maxim MAX147。它是一个8通道12位转换器芯片，指定工作电压为2.7V，最初打算用于pda。它包括采样和保持，并通过3线SPI串行接口连接到CPU。电流损耗在活动时约为1mA，在关闭时降至约10 μ A。MAX147能够转换速率为100ksamples/sec。由于A/D可以在转换之间休眠，这种速度增强了系统的功耗节约。转换在20转换/秒，它运行只有0.02%的时间。在此速率下，电路的平均电流仅为25µA。

A/D没有内部参考，采用比例运算。运算放大器U1A用于缓冲电路中用于a /D的1.9V标称点。运算放大器是必要的，因为A/D转换器(在其参考引脚中)吸取100µA。这个运放级的输出电路允许驱动大的旁路电容而不会变得不稳定。(用电阻隔离电容;单独的交流和直流反馈路径，保持直流精度和交流稳定性。这种网络在其他放大器部分是不必要的，因为进入A/D输入的直流电流非常小;只需要隔离容性负载。

图3 RTD示意图。

进行绝对测量
按比例使用A/D转换器的一个问题是，它不能再用于绝对测量，比如测量电池。诀窍是测量一个固定的参考，并将结果与未知的进行比较(参见图3底部虚线包围的小电路)。

为了实现这一点，由两个电阻R9和R10缩放的电池电压被施加到A/D(在通道CH1上)并转换。参考(由MAX6120派生)在第二个通道(CH2)上转换。参考电压与电池电压的比值用来表示电池电压。

此方案的替代方案是在需要时使用开关连接引用。然而，对于电池电压监测的简单要求，这里显示的电路工作得很好。

这篇文章的类似版本出现在1996年7月的便携式设计杂志。