在微处【chù】理器和传【chuán】感器变得越【yuè】来越便宜的今天【tiān】，全自【zì】动或半【bàn】自动系统可以包含更多【duō】智能性功能【néng】，能从其环境【jìng】中获得并处理【lǐ】更多不【bú】同的参【cān】数。数字传感【gǎn】器的体积【jī】非常微小并且【qiě】能耗与成本【běn】也很低，具有巨大【dà】的【de】应用潜力和前景。同时，数字化传感器对【duì】电子市【shì】场具有重要的【de】推动作用。现在【zài】系统设计所包【bāo】含的传【chuán】感【gǎn】器和处理器【qì】越来越多。随着传感器【qì】和处【chù】理器价格的【de】不断【duàn】降低【dī】，取代机【jī】械控制结构的阈值也在不断变化。在电力电子【zǐ】系统中选择【zé】正确的传感器组合和处理算法可以显著地【dì】降【jiàng】低原材料及能耗的费【fèi】用【yòng】并提高系【xì】统的总体性能。
本文【wén】就针对电力电子行【háng】业的数字化需求，介绍【shào】了【le】莱姆新【xīn】一代数字化传感器【qì】解决【jué】方案。
2S-D型ADC原理及特点
所谓的【de】 S-D ADC的原理，就是利用过采样(Oversampling)技术、噪声整形技术和【hé】数字滤波技术以很低的采样【yàng】分辨率和很【hěn】高【gāo】的采样速率将模拟信【xìn】号数字化，将【jiāng】高分辨率的【de】转换问题化简为低分【fèn】辨率的转换【huàn】问题，增【zēng】加有效分辨率【lǜ】。与【yǔ】几种传【chuán】统ADC相比【bǐ】，过采样Σ-ΔA/D变【biàn】换器由【yóu】于采用了过【guò】采样【yàng】技术和Σ-Δ调制技术，增加了【le】系统中数字【zì】电路的比例，减少了【le】模拟【nǐ】电路的比【bǐ】例，并且【qiě】易【yì】于与数字系【xì】统实现单片集【jí】成，因而能够以较低的成本实现高精度的A/D变换器，适应【yīng】了【le】VLSI(VeryLarge Scale Integrated circuites)技术发展的要【yào】求。
其主要的特点为：
Σ-△型A/D转【zhuǎn】换器【qì】基于过【guò】采样Σ-△调制和数字滤波，利用比奈奎【kuí】斯【sī】特采【cǎi】样频率大【dà】得多的采样频【pín】率得到一系列粗【cū】糙量【liàng】化数据【jù】，并由后续的数字抽【chōu】取器计【jì】算出模拟信号所对应【yīng】的低采样频率的高【gāo】分【fèn】辨率【lǜ】数字信号。
其表现出的优点是元件匹【pǐ】配精度要【yào】求【qiú】低，电【diàn】路组【zǔ】成以数字电路为主，能有效的用速度【dù】换取分辨【biàn】率【lǜ】，无需微调工【gōng】艺就可获得较高【gāo】位数【shù】的分辨【biàn】率，制作成本【běn】低，适合于标准CMOS单片集成技术。
∑-△调【diào】制器以采样速率输出1bit数据流，频率【lǜ】可【kě】高【gāo】达MHz量级，例如莱【lái】姆HMSR/HO等【děng】系列产品频率均可达20MHz。数字滤波和抽取的目的是从该【gāi】数【shù】据【jù】流中提取【qǔ】出有用的信【xìn】息，并将数据速率降低【dī】到可用的水平【píng】。
∑-△ADC 中的【de】数字滤波器对1bit数【shù】据流求【qiú】平均，移去带外量【liàng】化噪声并改善【shàn】ADC的分辨率。数字滤波器决【jué】定了【le】信号带宽、建【jiàn】立时【shí】间和阻带抑制。
3LEM 开环数字输出电流传感器
LEM公司针对数字化的【de】市场需求，在【zài】经典开环传感【gǎn】器的基础上基于∑-△ ADC的技术【shù】，开发出了一【yī】系列的先进数字【zì】输出传【chuán】感【gǎn】器【qì】。其基本原【yuán】理如图1所【suǒ】示。
图1 数字传感器及滤波应用框图
原【yuán】边电流，即被测电流Ip产生【shēng】的磁【cí】场【chǎng】被敏感元件HALL检测输出弱电压信号VH, VH与检测到【dào】电流成正【zhèng】比。然后经过O.A放大、∑-△调制【zhì】及标准【zhǔn】数字化转【zhuǎn】换等【děng】信号处理后，输出Vout表示原【yuán】边电流模【mó】拟【nǐ】量【liàng】的【de】实际状况。为【wéi】了优化性能，HALL和信号【hào】处理电【diàn】路被组合成一【yī】个单独【dú】的CMOS ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit).
LEM开【kāi】发研制了【le】性能【néng】优越的新一代带二阶【jiē】∑-△调制器的集【jí】成【chéng】ASIC，并被应【yīng】用在【zài】新的产品系列中。传感器输出信号为比特流，比特流中1的【de】密度【dù】与被测量的电【diàn】流成比例(如图2所示)。
图2 输出比特流示意
用【yòng】户【hù】需要使【shǐ】用【yòng】一个【gè】数字滤波【bō】器来处理比特流，如图3所示【shì】。其优点是【shì】接口简单，而且使【shǐ】用【yòng】者可以选择和【hé】定义滤波器，以便【biàn】输出格式适用具体的应【yīng】用和匹配系统的需求。
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
莱姆最新发【fā】布的系列【liè】数【shù】字输出型开环霍尔效应【yīng】电流传感器：HO和HLSR，它们就是基于Σ-Δ调制器原理，输出信号为1位串行【háng】比特流信号的数字【zì】传感器。该新品具【jù】有4种不同的机械设计【jì】来【lái】满足PCB安装【zhuāng】和盘【pán】式安【ān】装的要求，其可以对额定值为16、32、40、50、80、100、120、150、200、250ARMS的电流进行【háng】测量(如表1所示，图4所示)，并具【jù】有20kHz带宽，12位【wèi】的【de】分辨【biàn】率【lǜ】。
图4 新型数字传感器
新【xīn】型数字传感器能够提供多种数【shù】字信号输出。包括2线制模【mó】式，CMOS(时钟可【kě】以【yǐ】为输入或输出模式)、RS422 Manchester或LVDS Manchester，可【kě】满足最小化所需的【de】连接;或LVDS或RS 422(时钟输入或输【shū】出)4线制模式。数字输【shū】出允【yǔn】许【xǔ】使用【yòng】者选择合适的滤【lǜ】波【bō】器来处理比特流，以便于在分【fèn】辨率【lǜ】和响【xiǎng】应时间之间进【jìn】行优【yōu】化【huà】。
表1.新型数字传感器特性表(部分特性)
HO系列增加了2个额外的引脚，可实现时【shí】钟和数据的【de】差分信号处理，满足RS422和LVDS标准。另外，传感【gǎn】器时【shí】钟输入信号可【kě】配置【zhì】范围为5 – 12.5MHz，所以【yǐ】整个系【xì】统【tǒng】可以使用【yòng】同【tóng】一【yī】时钟。
4.2 数字传感器应用实例
对一个给定的【de】比特【tè】流，用【yòng】户【hù】可以采【cǎi】用几个不同的滤波器(如图5)。例如：为【wéi】实现“电流环”功能：如果采用sinc3滤波器、512的过采样率【lǜ】(OSR)，则可得【dé】到有效分辨【biàn】率为12位，带宽【kuān】为【wéi】5.5kHz的信号。
同样的【de】，为实现【xiàn】“超限检测”功能，如果采用sinc2滤波器、16的【de】OSR，对应相同的【de】比特流则可得【dé】到分辨率【lǜ】为【wéi】6位，5.5µs响应时【shí】间的信号。
另外，为【wéi】了提【tí】高设【shè】备的安【ān】全性，HO系列传感器还具有过流检测(OCD)功能，它可以在A/D变换器前级检测过【guò】流信【xìn】号，并给出相应的输出值，使系【xì】统快速启动【dòng】保护【hù】电路【lù】，得到保护目【mù】的。OCD的响应【yīng】时间为2us。
图5 数字信号处理实例
5结论
本文【wén】针对电力电【diàn】子数字化的需求做了【le】简要介绍，结【jié】合对∑-△ADC原理的阐述，以及莱姆开环数字【zì】输出传感器原理【lǐ】的分【fèn】析，说明【míng】了使【shǐ】用数字输出的滤波器的特【tè】点;在【zài】此【cǐ】基础【chǔ】上较为【wéi】全面的介绍了莱姆新型数字传感器HO/HLSR系列产品，并给出【chū】了应用实例。通过【guò】该实例【lì】可以明显看到数字输出传感【gǎn】器的灵活【huó】性【xìng】、优越性，为未来电流检测的数字化奠定【dìng】了基础【chǔ】，具有较【jiào】深【shēn】远的意【yì】义。
