无线传感器及元器件:网络、设计与应用
1.2.2 元器件的种类
更新于2009-03-06 09:16:21

1.2.2 元器件的种类

        元器件大致可分为模拟元器件和数字元器件或这两者的结合。由于数字元器件设计灵活、可编程、容易使用、易于和其他设备通信,因此得到了广泛应用。但从生产者和设计者的角度来看,许多元器件的前端仍是模拟的,因为大多数传感器和变换器产生的是模拟信号。模拟信号再转换成数字信号,由数字元器件进行处理。
        元器件可以分为便携的和固定的。便携元器件要依赖机载的电源,并能在不同的地方使用;这种移动性具有很多优点。固定元器件具有无限制的电源,广泛应用于实验室和工业界。固定元器件是系统的一部分,比如汽车和飞机的元器件板,工业、建筑、发电厂的机器等。尽管已经分为便携的和固定的,但它们都工作在模拟或数字状态下。
        模拟元器件的运行完全遵守模拟信号处理原则,因此它们采用模拟信号的形式进行测量、传输、显示和储存。模拟元器件主要利用电流和/或电压的幅度、相位、频率或它们混合的连续变化进行操作。由物理信号转化成的待处理信号可以是确定性的,也可以是非确定性的,但有可能包含大量的噪声。模拟元器件中的信号调理器经常是由许多功能模块集成的,比如电桥、放大器、滤波器、振荡器、调制器、偏置电路、电平转换器和缓存。其中部分功能模块如图1-2所示。

 


图1-2 模拟元器件的详细框图

        模拟元器件的一个重要组成部分是运算放大器(缩写为op amps)和元器件放大器。运算放大器是由单片集成电路或者混合元件集合而成。一个运算放大器可以在一个芯片内集成成百上千个晶体管、电阻和电容。它们可以配置成正向或反向放大器。它们通过合适的外部元件可以组成乘法器、加法器、限幅器、滤波器等。
        数字元器件的运行完全遵守数字信号处理原则。在许多情况下,传感器和变换器产生的信号在转换成数字信号前首先被模拟电路处理。然而,由于制作现代化传感器及相关设备的微技术和纳米技术发展迅速,许多纯数字元器件已经研发出来。比如,现在的基于数字电子学的智能传感器在一片芯片上可以包含完整的信号处理电路和传感器本身。因此,许多智能传感器的输出可以和其他的数字设备直接相连。
        微元器件,也称为微传感器,是一种典型的现代化的数字元器件,如图1-3所示。这个微传感器系统的单片实现是基于CMOS工艺的。片上集成了一个电压、电流和电容传感器接口,一个温度传感器,一个10通道12bit A/D转换器,一个8bit微控制器,16bit硬件乘法器和40bit加法器。工作电压为3V,全功率时电流为16mA,空闲状态电流为850μA。

图1-3 一个典型的微传感器的框图

        数字通信(见图1-3所示系统)通过片上串口和并口实现。此系统包括两个并行输入/输出(PIO)单元和一个通用同步/异步接收器/发送器(USART)。可编程存储器由512B只读存储器(ROM)、通用的4KB随机存储器(RAM)以及用作数据存储的512B RAM组成(译者注:B表示字节)。多重加法器(MAC)支持6bit加法器和40bit加法器,允许片上信号处理。标准定时由看门狗定时器和多功能计时器提供。
        图1-3所示的微传感器支持C语言。硬件支持单断点和编码调试事件跟踪功能。一个先进的系统接口可以支持处理中断建议、单步运行、读写系统寄存器。单循环中断响应和直接内存访问(DMA)可以使之应用于对时间有严格要求的应用场景。时钟管理用来分开系统时钟,以便减小功率,分配一个慢速时钟,或者终止时钟直到一个指定的事件发生。
        这种类型的微传感器的优点源于数字电路与模拟电路相比之下具有的便宜、可靠,以及灵活特性。因为数字硬件允许编程操作,可以通过软件来修改元器件的功能,所以数字硬件及其相关软件在系统设计方面较同等的模拟设备提供了更多的灵活性。但值得一提的是,数字元器件的一个缺点是一些超宽带信号需要严格的实时性处理,需要考虑大量的内存和非常复杂的软件实现。对于这样的信号,模拟信号处理也许是惟一的解决办法。
        现代化的无线元器件几乎全是数字的,因此在下面的章节中将详细介绍数字元器件。

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