一种多用途超低功耗的传感接口系统的制作方法

本发明涉及一种传感器接口系统，尤其涉及一种可编程且适配多种传感器的超低功耗信号调理系统，属于物联网信号调制技术领域。

背景技术：

在物联网科技高速发展的时代，传感器作为物联网产业的基石，已经成为人们行业作业和生活中必不可少的一部分。但是，目前市场上流通的主流传感器都只能测试单一的环境变量，如温度传感器，压力传感器等。而通常一个传感器节点需要测试多个环境变量，所以势必采用多个芯片进行系统级架构。但这样的选择无疑提高了传感器节点的功耗和体积，不利于降低传感器节点的功耗和微型化设计。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种多用途超低功耗的传感接口系统，解决适配多种传感器并超低功耗信号调理的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种多用途超低功耗的传感接口系统，可编程适配两种以上传感器并信号调制获得环境变量，其特征在于：所述传感接口系统由前端传感电路、二阶zoomadc电路和数字时钟控制电路组成，其中前端传感电路的vbe和δvbe两个输出端接入二阶zoomadc电路的采样输入端，且数字时钟控制电路由时钟脉冲振荡产生的控制位信号分别分时段控制前端传感电路和二阶zoomadc电路运作，所述二阶zoomadc电路的输出为数字型环境变量。

进一步地，所述二阶zoomadc电路为由一个逐次逼近寄存器型模数转换器和一个微积分调制型模数转换器复合的组合电路。

更进一步地，所述二阶zoomadc电路中的两个模数转换器复用第一个积分器和比较器，且逐次逼近寄存器型模数转换器工作时跳过微积分调制型模数转换器的第二个积分器。

进一步地，所述传感接口系统对应温度传感模式，所述前端传感电路由偏置电路和感温电路两部分构成，其中偏置电路设有两个完全相同的pnp管qlb和qrb对相相接并分别流入ib电流和pb·ib的电流；感温电路设有两个完全相同的pnp管ql和qr对相相接并将ib电流以1:p的比例流入pnp管ql和qr，且在qlb的发射极接有电阻rb，pnp管基极-发射极的电压差记为vbe，两个pnp管基极-发射极电压差记为δvbe且与温度正相关。

更进一步地，所述偏置电路中设有用于使左右两个支路电压相等的一个运放。

进一步地，所述传感接口系统对应电容传感模式，保持所述二阶zoomadc电路的采样输入端为vdd并替换采样电容为待测电容。

进一步地，所述传感接口系统对应电压传感模式，所述二阶zoomadc电路的采样输入端分别接待测电压和前端传感电路的vbe、∆vbe。

本发明上述技术方案较之于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步性，表现为：电路结构清晰简单，通过数字时钟控制电路，控制adc实现不同的功能，实现同一芯片分时段采集不同的环境变量，节约了芯片的整体面积；优化了模数转换器电路结构，减少了转换时间，降低了系统功耗。本发明具有更高的系统集成度，在智能传感器领域和传感器节点集成方面具有非常广阔的应用空间。

附图说明

图1是本发明多用途超低功耗的传感接口系统的拓扑图。

图2是本发明传感接口系统所用前端传感电路的电路示意图。

图3是本发明在测试温度时，二阶zoomadc电路的运作示意图。

图4是本发明在测试电容时，二阶zoomadc电路的运作示意图。

图5是本发明在测试电压时，二阶zoomadc电路的运作示意图。

具体实施方式

为使本发明开关电源的控制方法更易于理解其创新核心及技术效果，下面结合附图对本发明技术方案的多个具体实施例作进一步说明。

本发明多用途超低功耗的传感接口系统主要由三个部分组成：前端传感电路、二阶zoomadc电路和数字时钟控制电路。整个系统的拓扑结构图如图1所示。

无论是何种传感器，最终都是将环境变量转变成电压量，例如压力传感器是将压力转变成电压，温度传感器是将温度转变成电压等。尽管前段的输出电压可能有些不同，但是对这些电压的处理却基本相同，都需要一个模数转换器将电压转变成数字信号进行处理。因此，采用同一种zoomadc是可行的。本发明所采用的二阶zoomadc由一个逐次逼近寄存器型模数转换器（后文简述saradc）和一个微积分调制型模数转换器（后文简述sigmadeltaadc），因此输出的数据分为粗调制和精调制两部分。模数转换器先通过saradc得到粗调制数，然后再通过sigmadeltaadc得到精调制数。saradc和sigmadeltaadc复用第一个积分器和比较器，saradc工作时跳过sigmadeltaadc的第二个积分器。二阶zoomadc的引入，通过缩放的形式降低了系统设计的难度，并且缩短了转换时间，降低了功耗，同时通过复用器件实现了芯片面积的节约。

实施例一、测试温度。

如图2所示为前端传感电路图。前端传感电路主要用来测试温度信息，由偏置电路和感温电路两部分组成。在偏置（pre-bias）电路中，两个完全相同的pnp管qlb和qrb分别流过ib电流和pb·ib的电流，qlb和qrb由于电流不同而产生vbe差，即δvbe，其中pb为特定系数，仅作为区别ib而存在。三极管的基极—发射极的电压差vbe是与温度负相关的（ctat），而两个三极管基极—发射极电压差∆vbe却是与温度正相关的（ptat）。理想情况下，他们可以表示为：

（1）

（2）

其中η是与工艺相关的非线性因素，k是玻尔兹曼常数，q是单位电荷量，is是三极管的反向饱和电流，ic是集电极电流。通过引入一个运放，利用运放输入端电压近似相当的特性，使左右支路电压相当。则∆vbe会等于发射极电阻rb的电压，所以ib=∆vbe/rb是一个ptat电流，由此保证电流ib与温度正相关。将ptat电流复制到感温（bipolar-core）电路中，以1：p的比例流入两个相同的pnp管（ql和qr），产生两个vbe（vbel和vber）。这两个电压的电压差∆vbe与温度正相关，由此通过计算∆vbe来得到温度信息。

如图3为测试温度时，二阶zoomadc电路的运作示意图。其中，cs为采样电容，cint为积分电容，cint=2*cs。本发明利用zoomadc，通过vbe来量化∆vbe，得到温度信息。其结果x（=vbe/∆vbe）在军用温度范围大约为28到8，并且为非线性值。比率μptat在数字后端可以看成μptat=x/(α+x)，其中α为校准系数。因为μptat仅与温度成轻微的非线性，所以仅通过一阶系数校准即可实现对温度的测量。

实施例二、测试电容。

电容传感器的功能广泛，可以感应压力，湿度，加速度等，仅需替换测试电容即可实现不同的功能。测试电容时并不需要额外的前端电路。只需要将zoomadc的采样积分电容替换成测试电容。

图4为测试电容时，二阶zoomadc电路的运作示意图。csensor，p为待测电容。由于接在电容两端的电压差固定，都为vdd。zoomadc通过两相位采样积分，可以比较csensor，p与k·cs的大小，最终得到输出值即为x（=csensor，p/cs）。由于电路知道cs的大小，所以可以得到待测电容的绝对值。电路设计时cs固定，zoomadc的最大输出范围为n，所以系统的测试电容范围为n*cs，调节n或者cs，可以使系统满足大多数测试电容的应用场景。

实施例三、测试电压

本发明的系统已拥有一个高精度adc和高线性度的输出电压vbe和∆vbe，因此可以实现直接对外部电压的测量。并且，系统仅仅是通过测量电压，也可以得到很多的环境变量，例如惠斯通电桥型压力传感器。

图5为测试电压时，二阶zoomadc电路的运作示意图。vext是待测电压。由于在-70℃时，∆vbe仅为29mv，最大测试电压比较有限。所以为实现1.8v的最大输入电压，需要进行两次缩放。第一次缩放将vext与vbe比较，第二次将vext-m·vbe与∆vbe比较。假设输入电压为vdd，仅需要有限个电容采样vbe，其余电容依旧采样∆vbe，即可满足vdd的输入电压测试。所以调节zoomadc的最大输出，使系统满足应用场景要求即可。最终输出电压vext=m·vbe+n·∆vbe，其中m为第一次缩放时vext与vbe的比值关系，n为第一次缩放后剩余电压（vext-mvbe）与∆vbe的比值关系，m和n共同组成了vext的数字输出。

本发明中，将不同的传感器电路进行整合，实现了在同一个芯片上测试不同环境变量，极大节约了芯片的面积并且降低了功耗。同时，本发明采用二阶zoomadc作为测试adc，zoomadc通过复用器件和缩放的方式，节约了电路面积，缩短了转换时间。本发明在智能传感器领域和传感器节点集成方面具有非常广阔的应用空间。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。