我們中許多人都是在溫馨的家庭環境中長大的
，但父母總會衝我們大喊："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zhou期qi供gong電dian
，一yi種zhong在zai不bu需xu要yao某mou項xiang功gong能neng時shi關guan閉bi其qi電dian源yuan的de過guo程cheng，例li如ru在zai不bu需xu要yao進jin行xing測ce量liang時shi關guan閉bi傳chuan感gan器qi係xi統tong。這zhe樣yang做zuo能neng夠gou降jiang低di平ping均jun功gong耗hao
，計ji算suan公gong式shi如ru下xia：

 

 

PON是係統處於正常工作狀態時的功耗。POFF是係統處於關閉狀態時的功耗。它與殘留電流相關，如電源調節器要維持功率開關或關斷模式所需的電流，其典型值在1 μA左右。開啟時間(TON)是傳感器係統開啟、進行所需測量並重新關閉所需的時間量。關閉時間 (TOFF)取決於係統需要進行傳感器測量的頻繁程度。如果關閉功率遠遠小於開啟 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%。

 

傳感器係統綜述

 

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shi調tiao和he增zeng益yi調tiao整zheng以yi及ji溫wen度du補bu償chang。高gao級ji傳chuan感gan器qi產chan品pin還hai包bao括kuo模mo數shu轉zhuan換huan
，並bing在zai單dan封feng裝zhuang中zhong提ti供gong所suo有you這zhe些xie功gong能neng

，從cong而er實shi現xian完wan整zheng且qie經jing過guo校xiao準zhun的de傳chuan感gan器qi至zhi數shu據ju位wei的de轉zhuan換huan功gong能neng。這zhe類lei產chan品pin無wu需xu用yong戶hu進jin行xing器qi件jian級ji設she計ji或huo複fu雜za表biao征zheng與yu校xiao正zheng運yun算suan，能neng夠gou以yi更geng少shao的de投tou入ru實shi現xian更geng短duan的de設she計ji周zhou期qi。雖sui然ran高gao度du集ji成cheng的de傳chuan感gan器qi產chan品pin可ke減jian輕qing進jin行xing電dian路lu級ji設she計ji決jue策ce的de負fu擔dan
，但dan如ru果guo希xi望wang利li用yong周zhou期qi供gong電dian來lai降jiang低di平ping均jun功gong耗hao，仍reng有you必bi要yao了le解jie其qi內nei部bu工gong作zuo原yuan理li。

 

圖1顯示了許多完整傳感器係統相關的功能。每個傳感器元件都需要一個 接jie口kou電dian路lu來lai將jiang元yuan件jian中zhong的de物wu理li變bian化hua轉zhuan換huan為wei標biao準zhun信xin號hao處chu理li器qi件jian可ke用yong的de電dian信xin號hao。例li如ru，電dian阻zu應ying變bian計ji就jiu是shi應ying力li改gai變bian時shi阻zu抗kang發fa生sheng變bian化hua的de電dian阻zu
，常chang以yi橋qiao接jie電dian路lu的de形xing式shi（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係統 (iMEMS®)慣guan性xing傳chuan感gan器qi，如ru加jia速su度du計ji和he陀tuo螺luo儀yi。它ta們men采cai用yong小xiao型xing結jie構gou，通tong過guo極ji板ban間jian位wei移yi改gai變bian導dao致zhi電dian節jie點dian間jian電dian容rong改gai變bian，從cong而er對dui慣guan性xing運yun動dong變bian化hua做zuo出chu響xiang應ying。可ke變bian電dian容rong元yuan件jian的de接jie口kou電dian路lu一yi般ban使shi用yong調tiao製zhi級ji和he解jie調tiao級ji組zu合he，將jiang電dian容rong變bian化hua轉zhuan變bian成cheng電dian信xin號hao。

 

1. 傳感器係統示例

 

緩衝級為模數轉換器 (ADC)的輸入級準備信號，可包括電平轉換
、增益、失調校正、緩衝和濾波功能。傳感器信號經過數字化處理之後，數字處理功能便進一步增加信息值。數字濾波, h(n)則ze可ke降jiang低di噪zao聲sheng，重zhong點dian關guan注zhu目mu標biao頻pin帶dai。例li如ru
，機ji器qi健jian康kang狀zhuang況kuang檢jian測ce係xi統tong可ke能neng通tong過guo一yi個ge帶dai通tong濾lv波bo器qi來lai關guan注zhu與yu一yi般ban機ji械xie裝zhuang置zhi磨mo損sun相xiang關guan的de頻pin率lv特te征zheng。其qi他ta需xu要yao穩wen定ding的de直zhi流liu基ji準zhun電dian壓ya的de傳chuan感gan器qi可ke能neng傾qing向xiang於yu使shi用yong低di通tong濾lv波bo器qi。

 

youyuxitongzhonghenduoqitaqijiandeyingxiang，chuanganqijingdukenengyouhendadechayi。weileshousuowuchafenbubingtigaoceliangquedingxing，chuanganqixitongtongchangbaokuoyigexiaozhunchengxu
，yiquedinggechuanganqizaiyizhijilihetiaojianxiadetexing
，bingtigongtedingdanweigongshilaixiaozhengzaisuoyouyuqigongzuotiaojianfanweineishuchu。zuizhongchulijif(n)代表特定處理

，例如用於將加速度計的靜態地心引力測量轉變成方位角的三角關係。

 

周期供電考慮因素

 

評估傳感器係統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係統響應。TM是測量時間
，TC是周期時間。測量時間取決於啟動時間T1、建立時間T2和數據采集時間T3.

 

啟動時間 取(qu)決(jue)於(yu)係(xi)統(tong)處(chu)理(li)器(qi)，以(yi)及(ji)支(zhi)持(chi)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)采(cai)樣(yang)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)操(cao)作(zuo)所(suo)必(bi)須(xu)運(yun)行(xing)的(de)初(chu)始(shi)化(hua)程(cheng)序(xu)。使(shi)用(yong)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)時(shi)
，通(tong)常(chang)產(chan)品(pin)文(wen)檔(dang)中(zhong)會(hui)規(gui)定(ding)啟(qi)動(dong)時(shi)間(jian)。此(ci)類(lei)產(chan)品(pin)有(you)時(shi)會(hui)提(ti)供(gong)休(xiu)眠(mian) 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lv波bo器qi和he物wu理li器qi件jian的de電dian氣qi特te性xing建jian立li時shi間jian，以yi及ji熱re建jian立li時shi間jian和he機ji械xie建jian立li時shi間jian。某mou些xie情qing況kuang下xia
，這zhe些xie過guo渡du特te性xing在zai上shang電dian時shi間jian內nei建jian立li，因yin此ci對dui總zong體ti測ce量liang時shi間jian影ying響xiang很hen小xiao，甚shen至zhi沒mei有you影ying響xiang。但dan是shi，分fen析xi這zhe些xie特te性xing的de最zui保bao守shou方fang法fa是shi假jia設she這zhe些xie情qing形xing是shi依yi次ci發fa生sheng的de
，除chu非fei進jin一yi步bu分fen析xi研yan究jiu可ke以yi支zhi持chi更geng有you利li的de同tong時shi啟qi動dong和he建jian立li假jia設she。

 

數據采集時間取決於所需數據樣本的數量
、係統處理器讀取數據的速度
，以及精確數據采集準備就緒後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

 

分析示例

 

本示例通過評估一個完全集成的MEMS傾斜傳感器來確定影響精度和測量時間的參數，從而明確功率與性能的重要關係。以下四個步驟對此過程提供了簡單的指引：

 

● 了解傳感器的工作原理。

● 通過產品文檔獲取相關信息。

● 評估未明確規定的重要參數。

● 推算出功率與性能的關係。

 

1. 了解工作原理

 

示例的傾斜傳感器係統與圖1中的通用係統非常相似。MEMS加速度計包括傳感器元件和接口電路。加速度計信號通過一個單極點低通濾波器，該濾波器將信號帶寬限製在50 Hz。模數轉換器以200 SPS的采樣率運行
，並將其輸出送入數字處理級。數字處理功能包括一個均值濾波器、溫度驅動器校正公式

、將靜態加速度計讀數轉變成傾斜角的數學函數、用戶接口寄存器和一個串行接口。

 

假設偏置誤差為零，當加速度計的測量軸與重力方向垂直時，其輸出將為零。其測量軸與重力方向平行時，將產生 +1 g 或 –1 g的輸出，極性取決於方向。靜態加速度計測量與傾斜角之間的關係是一個簡單的正弦或正切函數，如圖3所示。這裏的分析重點考慮水平模式（正弦）。

 

圖3. MEMS傾斜傳感器工作原理

 

2.通過產品文獻獲取相關信息

 

表1列(lie)出(chu)了(le)影(ying)響(xiang)高(gao)級(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)周(zhou)期(qi)供(gong)電(dian)的(de)參(can)數(shu)。這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)一(yi)部(bu)分(fen)可(ke)從(cong)產(chan)品(pin)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)獲(huo)得(de)
，而(er)其(qi)他(ta)參(can)數(shu)需(xu)要(yao)針(zhen)對(dui)終(zhong)端(duan)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)目(mu)標(biao)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。PON 和T1 是數據手冊提供的參數。其餘參數可用於估計T2 和 T3。關閉模式功率得自線性調節器的關斷電流。

 

表1. 傳感器係統技術指標

 

3. 利用經驗假設來量化其餘影響因素

 

建(jian)立(li)時(shi)間(jian)影(ying)響(xiang)一(yi)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)支(zhi)持(chi)的(de)精(jing)度(du)和(he)測(ce)量(liang)速(su)率(lv)。許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)的(de)因(yin)素(su)都(dou)會(hui)影(ying)響(xiang)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)，但(dan)這(zhe)裏(li)重(zhong)點(dian)分(fen)析(xi)電(dian)的(de)因(yin)素(su)。估(gu)計(ji)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)需(xu)要(yao)性(xing)能(neng)目(mu)標(biao)、部分重要假設和一個用於分析傳感器對供電響應的模型。第一項重要假設是濾波器在初始啟動周期（上電時間）之後建立。雖然這兩個周期可以同時進行，但以連續發生的方式著手分析是更為保守的方法。圖4提供分析傳感器對供電響應的簡化模型。

 

圖4. 建立時間分析的模型

 

供電後
，加速度計傳感器的輸出a(t)呈cheng現xian階jie躍yue響xiang應ying。因yin為wei傳chuan感gan器qi采cai用yong單dan電dian源yuan供gong電dian
，其qi輸shu出chu很hen可ke能neng會hui從cong零ling開kai始shi，並bing迅xun速su轉zhuan變bian至zhi確que定ding其qi方fang位wei的de電dian平ping。為wei簡jian明ming起qi見jian，假jia定ding零ling輸shu出chu與yu最zui低di有you效xiao加jia速su度du水shui平ping相xiang對dui應ying。這zhe種zhong情qing況kuang下xia，我wo們men采cai用yong–2 g加速度，以便在最小額定值 –1.7 g的基礎上提供一些裕量。同時，最大傾斜範圍為+30°，相當於+0.5 g。將這兩個間隔結合，加速度計信號在啟動時可進行的最大轉換為+2.5 g。單極點
、低通濾波器的階躍響應b(t)可通過以下公式獲得：

 

 

包括數字濾波器的模型需要離散形式的b(t), 以及一個總和模型來仿真濾波器。

 

 

建立時間是在規定精度AE範圍內穩定到最終值所需的時間。圖5顯示兩條瞬態響應曲線
，指示每條曲線達到0.1 g精度所需的建立時間。

 

圖5. 上電瞬態響應

 

本例中，誤差預算允許0.2°的建立精度。正弦公式提供一種將此目標轉變成加速度衡量指標的簡單方法。

 

 

使用諸如Excel或MATLAB之類的工具對此公式進行建模將非常簡單。如果使用Excel，輸出在N = 16時的第18次采樣和N = 64時的第65次采樣達到距 0.5 g約3 mg內的水平。將這些數值分別除以采樣速率(200 SPS)，可針對21 ms (N = 1)
、90 ms (N = 16)和325 ms (N = 64)這些設置提供建立時間估計值。假設熱建立的相關誤差可忽略不計（如合理的話）。因為所考量的器件提供了溫度校準響應，所以這一假設應該可以接受。驗證此假設為在最終表征過程中確認精度提供了好機會。

 

此類係統的數據采集時間 T3不需要超過一個采樣周期
，因為所有必需的校正和濾波都在器件內部實現。采集時間隻會使總體測量時間增加5 ms。

 

4.使功耗與周期時間相關

 

此分析的最後一部分與平均功耗和周期時間有關，周期時間實際上等於各測量事件之間的時間量。表2總結了重要的周期供電因素，包括傳感器數據手冊中規定或通過該簡單分析過程產生的因素，以及完全啟動（周期供電）和休眠模式恢複（周期休眠）的次數。

 

表2. 關鍵周期供電參數彙總

 

下麵通過計算舉例說明
，如何使用這些參數來分析和比較一個要求測量速率為1 SPS的係統的周期供電和周期休眠。

 

周期供電：

 

 

周期休眠：

 

 

這裏的周期休眠非常有利。但是
，如果將周期時間增加至每分鍾采樣一次(TC = 60 s)
，周期供電方式的平均功耗會是0.2 mW，而周期休眠方式為1.2 mW。圖6所示為周期時間與平均功耗的關係。

 

圖6. 周期時間與平均功耗的關係

 

休眠模式保留全部初始化值，同時關閉係統其餘部分。盡管保持這些設置需要一定功率，但恢複時間要比完全啟動更快。傾斜傳感器ADIS16209juyoukebianchengxiumianshijianhezidonghuanxinggongneng。zhezhongjiejuefanganfeichangshiyongyunaxiejuyoushujujiuxuxinhaohuanxinggongnengdezhuchuliqi，zaiduqusuoxushujuhouminglingchuanganqizaicizailingyigegudingdezhouqineizhongxinchuyuxiumianmoshi。shiyongxiumianmoshidelingyiMEMS產品實例是振動傳感器ADIS16223
，該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)收(shou)集(ji)並(bing)儲(chu)存(cun)振(zhen)動(dong)數(shu)據(ju)，自(zi)動(dong)返(fan)回(hui)至(zhi)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)，然(ran)後(hou)啟(qi)動(dong)對(dui)另(ling)一(yi)測(ce)量(liang)事(shi)件(jian)的(de)倒(dao)計(ji)時(shi)。這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)周(zhou)期(qi)性(xing)監(jian)控(kong)的(de)係(xi)統(tong)，無(wu)需(xu)分(fen)配(pei)處(chu)理(li)器(qi)資(zi)源(yuan)來(lai)管(guan)理(li)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)和(he)數(shu)據(ju)收(shou)集(ji)模(mo)式(shi)。

 

這(zhe)裏(li)通(tong)過(guo)簡(jian)單(dan)分(fen)析(xi)提(ti)供(gong)了(le)部(bu)分(fen)有(you)用(yong)的(de)深(shen)度(du)信(xin)息(xi)。具(ju)體(ti)而(er)言(yan)，在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)
，不(bu)管(guan)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)需(xu)要(yao)多(duo)少(shao)功(gong)率(lv)，通(tong)過(guo)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)管(guan)理(li)仍(reng)然(ran)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)節(jie)能(neng)。在(zai)上(shang)述(shu)示(shi)例(li)中(zhong)
，需(xu)要(yao)以(yi)1 SPS速率進行傾斜測量的係統采用休眠模式，省電能力提高了4倍。此處，休眠模式針對最高6 s的測量周期時間可實現節能。對於測量周期時間更長的係統，與關斷性能相關的功率開銷更低，從而使得平均功率電平更低。

 

結論

 

無論是出於經濟還是環保原因，降低功耗的要求都很普遍。降低功耗可以減小功率轉換器、電池和太陽能電池等電源的尺寸和成本。其他潛在好處還包括降低熱和機械設計要求
，降低EMI輻射，有利於環境影響評級。

 

對(dui)於(yu)重(zhong)視(shi)高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)產(chan)品(pin)但(dan)又(you)不(bu)得(de)不(bu)考(kao)慮(lv)盡(jin)可(ke)能(neng)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)而(er)言(yan)
，本(ben)文(wen)提(ti)到(dao)的(de)概(gai)念(nian)和(he)分(fen)析(xi)方(fang)法(fa)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)很(hen)好(hao)的(de)起(qi)點(dian)。更(geng)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)，因(yin)為(wei)每(mei)種(zhong)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)都(dou)存(cun)在(zai)新(xin)的(de)機(ji)會(hui)與(yu)風(feng)險(xian)，所(suo)以(yi)確(que)定(ding)並(bing)分(fen)析(xi)影(ying)響(xiang)總(zong)體(ti)功(gong)率(lv)目(mu)標(biao)特(te)性(xing)的(de)相(xiang)關(guan)思(si)考(kao)過(guo)程(cheng)將(jiang)更(geng)加(jia)重(zhong)要(yao)。完(wan)成(cheng)初(chu)始(shi)分(fen)析(xi)之(zhi)後(hou)
，或(huo)許(xu)一(yi)句(ju)俄(e)羅(luo)斯(si)諺(yan)語(yu)"Доверяй, нопроверяй`"（"信任，但要確認"）最能說明該如何確保最終成功實現。要跟蹤重要假設
，例如建立精度(3 mg)及ji熱re建jian立li因yin素su是shi否fou會hui有you影ying響xiang。如ru果guo有you合he適shi的de硬ying件jian

，要yao在zai盡jin可ke能neng匹pi配pei其qi預yu期qi使shi用yong條tiao件jian的de情qing況kuang下xia測ce試shi這zhe些xie解jie決jue方fang案an。最zui後hou，測ce試shi這zhe些xie假jia設she將jiang增zeng加jia自zi信xin，並bing可ke調tiao整zheng改gai善shan新xin假jia設she
，以yi用yong於yu今jin後hou的de電dian源yuan管guan理li方fang法fa分fen析xi。

 

附錄

 

iSensor® 雙軸傾斜計ADIS16209圖A）的數字輸出在±180°的範圍內與平行於重力方向（垂直模式）的一個平麵的旋轉角成正比
，或在±90°的範圍內與重力方向正切（水平模式）的兩個平麵的旋轉角成正比。片內ADC對iMEMS®加速度計、內部溫度傳感器、電源的輸出和一個輔助模擬輸入進行數字化
，並通過SPI兼容接口提供數據。靈敏度、采樣速率
、帶寬和報警閾值均支持數字編程。該器件具有完整的功能
，還包括一個12位輔助DAC、2.5 V精密基準電壓、數字自測功能和可編程電源管理。ADIS16209采用3.0 V至3.6 V的單電源供電，快速模式下功耗為36 mA，標準模式下為11 mA，休眠模式下為140 μA。它采用16引腳LGA封裝，額定溫度範圍為–40°C至+125°C。

 

圖A. ADIS16209框圖

 

iSensor®數字振動傳感器ADIS16223（圖B）集±70 g單軸iMEMS® 加速度計與靈活的低功耗信號處理器於一體
，22 kHz傳感器帶寬和72.9 kSPS采樣速率非常適合機器健康狀況檢測應用
，均值/抽取濾波器則可針對低帶寬應用進行優化。這款器件可以利用自動、手動或事件捕獲三種數據采集模式
，分別從三個軸捕獲並存儲1k樣本。它還能測量溫度和電源電壓，捕捉峰值，並提供條件報警功能。ADIS16223采用3.15 V至3.6 V單電源供電
，捕捉模式下功耗為38 mA，休眠模式下為230 μA。它采用16引腳LGA封裝，額定溫度範圍為–40°C至+125°C。

 

圖B. ADIS16223框圖

 

 

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