在微处理器和传【chuán】感器变【biàn】得越来【lái】越便宜的【de】今天，全自【zì】动或【huò】半自动系统可以【yǐ】包含更多智能性功能，能从其环境中获得并处理更多不同【tóng】的参数。数字传感器的体积非常微小并且能【néng】耗与成本也很低，具有巨【jù】大的【de】应用潜【qián】力和前景。同时，数【shù】字【zì】化传【chuán】感器【qì】对【duì】电子市场【chǎng】具有重【chóng】要的推动【dòng】作用。现在系【xì】统设计所包含的传感器和处理器越来越多。随着传感器和处理器【qì】价格【gé】的【de】不断降【jiàng】低，取代机械控制【zhì】结构【gòu】的【de】阈值也在不【bú】断【duàn】变【biàn】化。在电力电子系【xì】统中选【xuǎn】择正确的传感器组【zǔ】合和处理算法可以显著【zhe】地降低原材料【liào】及能耗的费用并提高【gāo】系统的总体【tǐ】性能。
本文就针【zhēn】对电力电【diàn】子【zǐ】行业【yè】的数字化需求，介绍了莱姆【mǔ】新一代数字【zì】化传感器解【jiě】决方案。
2S-D型ADC原理及特点
所谓的【de】 S-D ADC的原理，就是利用【yòng】过采【cǎi】样(Oversampling)技【jì】术、噪声【shēng】整形技术【shù】和数【shù】字滤波技术以很低的采样分辨率和很高的采样速率【lǜ】将模拟【nǐ】信号数字化，将高分【fèn】辨率的转【zhuǎn】换问【wèn】题化简【jiǎn】为低分辨率【lǜ】的转换问题，增加有【yǒu】效分辨率。与【yǔ】几【jǐ】种【zhǒng】传统ADC相比【bǐ】，过采【cǎi】样Σ-ΔA/D变换器【qì】由于采【cǎi】用【yòng】了过采样【yàng】技术和Σ-Δ调制【zhì】技术，增【zēng】加了系统中数字【zì】电【diàn】路的比例【lì】，减少了模拟电路【lù】的比例，并且易【yì】于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实【shí】现高精度的【de】A/D变换器，适【shì】应了VLSI(VeryLarge Scale Integrated circuites)技术发展的要求。
其主要的特点为：
Σ-△型A/D转【zhuǎn】换器基于过采样Σ-△调制和数字滤波，利用比奈奎斯特【tè】采样频率大得【dé】多的采【cǎi】样频率得到一系【xì】列粗糙量化数据，并由【yóu】后【hòu】续的数字抽取【qǔ】器计算出【chū】模拟信号所【suǒ】对应的低【dī】采【cǎi】样频【pín】率的【de】高分辨率【lǜ】数字信号。
其表现出的【de】优点是元件匹配精度【dù】要求低，电路组成以数字【zì】电路为主【zhǔ】，能有【yǒu】效的用速【sù】度【dù】换取分辨率【lǜ】，无需微调工艺【yì】就【jiù】可【kě】获【huò】得【dé】较高位数的分辨率，制作成本低，适合于【yú】标准CMOS单片集成技术。
∑-△调制器以采样速率【lǜ】输出1bit数【shù】据流，频率【lǜ】可高达MHz量级，例如莱姆HMSR/HO等【děng】系列【liè】产品【pǐn】频率【lǜ】均可达【dá】20MHz。数字滤波【bō】和抽取【qǔ】的目的是从该数据流中提取出有用的信息【xī】，并将数据速率降【jiàng】低到可用的水平。
∑-△ADC 中的【de】数【shù】字滤波器【qì】对1bit数据流求平均，移去带外量化噪【zào】声并【bìng】改善ADC的分辨【biàn】率。数字滤波器决定了信号【hào】带宽、建立【lì】时间和【hé】阻带【dài】抑制。
3LEM 开环数字输出电流传感器
LEM公司针【zhēn】对数字化的市【shì】场需求【qiú】，在经【jīng】典开【kāi】环传感器【qì】的基【jī】础上基于∑-△ ADC的技术，开发出了【le】一系列的先进数字输【shū】出【chū】传【chuán】感器。其【qí】基本原理如图1所示。
图1 数字传感器及滤波应用框图
原边电【diàn】流，即被测电流Ip产生【shēng】的磁场被敏感元件【jiàn】HALL检测输【shū】出【chū】弱电压【yā】信号VH, VH与检测【cè】到电【diàn】流成正比。然后经过O.A放大、∑-△调制及【jí】标准【zhǔn】数字化转换等信号【hào】处理后，输出Vout表示原边【biān】电流模拟量的实际状况。为了优【yōu】化【huà】性能，HALL和【hé】信号处理电【diàn】路【lù】被组合成【chéng】一个单独的CMOS ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit).
LEM开发研制了【le】性能优越的新一【yī】代带二【èr】阶【jiē】∑-△调【diào】制器的集成ASIC，并被应用在新的【de】产【chǎn】品系列【liè】中。传感【gǎn】器输【shū】出信号为比特流，比特流中1的密度与被【bèi】测量的电流【liú】成比例(如图【tú】2所示)。
图2 输出比特流示意
用户需【xū】要【yào】使用一个数字滤【lǜ】波器来处理比特流，如图3所示。其优点【diǎn】是接口简单，而且【qiě】使用者可以选择和定【dìng】义滤波器【qì】，以便【biàn】输出格式适用具【jù】体的应用和【hé】匹配【pèi】系统【tǒng】的需求【qiú】。
图3 数字传感器及滤波应用框图
4LEM数字传感器HLSR/HO及应用实例
4.1 新型数字输出传感器HLSR/HO系列特点
莱姆【mǔ】最新发布的【de】系列数字输【shū】出型开环霍尔效应电流传感【gǎn】器：HO和HLSR，它们就是基于Σ-Δ调制器原【yuán】理，输出信号为1位串行比特流信【xìn】号的数字传感器。该新品具【jù】有【yǒu】4种不同的机械设计【jì】来满【mǎn】足PCB安【ān】装和盘式【shì】安【ān】装的要【yào】求，其可以对额定值为16、32、40、50、80、100、120、150、200、250ARMS的电流进行测量(如【rú】表【biǎo】1所示【shì】，图4所【suǒ】示【shì】)，并【bìng】具【jù】有20kHz带宽，12位的分辨率。
图4 新型数字传感器
新型数字传感器能够提供多种【zhǒng】数字信【xìn】号输【shū】出。包【bāo】括2线【xiàn】制模【mó】式，CMOS(时钟可以为输入或输出模式)、RS422 Manchester或LVDS Manchester，可满足最小化所需的连接;或LVDS或【huò】RS 422(时钟输入或输出)4线制模式。数【shù】字输出允许使用【yòng】者【zhě】选择合适【shì】的【de】滤【lǜ】波器【qì】来处理比【bǐ】特流，以便于在【zài】分辨率和响应时【shí】间之间【jiān】进行优化。
表1.新型数字传感器特性表(部分特性)
HO系【xì】列增加【jiā】了2个额外的引【yǐn】脚，可实【shí】现时钟和数据的差分信【xìn】号处理，满足RS422和【hé】LVDS标准。另外，传感器时【shí】钟【zhōng】输入信号可配置【zhì】范【fàn】围为【wéi】5 – 12.5MHz，所以整个系统可【kě】以使【shǐ】用同一时钟。
4.2 数字传感器应用实例
对【duì】一个给定的比特流，用户【hù】可【kě】以采用几个不【bú】同【tóng】的滤波器(如图5)。例如【rú】：为实现“电流环”功能：如果采用sinc3滤波器【qì】、512的过采【cǎi】样率【lǜ】(OSR)，则【zé】可得到有效分【fèn】辨率为12位，带宽为5.5kHz的信号。
同样【yàng】的，为实现“超限检测【cè】”功能，如果采【cǎi】用sinc2滤波器、16的OSR，对应相同【tóng】的比特流则可【kě】得到分辨率【lǜ】为6位，5.5µs响应【yīng】时间的信号。
另外，为【wéi】了【le】提高设备的【de】安全性，HO系列传感器还具有过流检测(OCD)功【gōng】能，它可以在【zài】A/D变【biàn】换器前级检【jiǎn】测过流信【xìn】号，并给出相【xiàng】应的输出值，使系统快速【sù】启【qǐ】动保【bǎo】护电路，得到保护目的。OCD的响【xiǎng】应【yīng】时间为2us。
图5 数字信号处理实例
5结论
本文针对电【diàn】力电子数字化的需求做了简【jiǎn】要介绍，结合【hé】对∑-△ADC原理的阐【chǎn】述，以及【jí】莱姆开环数字输出传【chuán】感器原理的分析，说明了【le】使用【yòng】数字【zì】输【shū】出【chū】的滤波器的特点;在此基础上较为【wéi】全面【miàn】的介绍了莱【lái】姆新型数字传感器HO/HLSR系列产品，并给出了应用实例。通【tōng】过该实例可【kě】以明【míng】显看到数【shù】字【zì】输出传感器的灵【líng】活性、优【yōu】越【yuè】性，为未【wèi】来电流检测的数字化奠定了【le】基础，具【jù】有较深远的【de】意义【yì】。
