基于Σ-ΔADC的萊姆開(kāi)環(huán)數(shù)字輸出電流傳感器

• 摘要：首先介紹了Σ-ΔADC的基本工作原理及其主要特點(diǎn)，闡述了LEM 數(shù)字化輸出開(kāi)環(huán)傳感器的工作原理以及特點(diǎn)，并對(duì)比傳統(tǒng)模擬輸出型的優(yōu)勢(shì)；然后針對(duì)萊姆開(kāi)發(fā)的新型傳感器HLSR/HO等數(shù)字化輸出傳感器，分別做了詳細(xì)的特性分析；最后給出了一個(gè)數(shù)字輸出傳感器的電路接口實(shí)例實(shí)現(xiàn)方式。

1、引言

在微處理器和傳感器變得越來(lái)越便宜的今天，全自動(dòng)或半自動(dòng)系統(tǒng)可以包含更多智能性功能，能從其環(huán)境中獲得并處理更多不同的參數(shù)。數(shù)字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低，具有巨大的應(yīng)用潛力和前景。同時(shí)，數(shù)字化傳感器對(duì)電子市場(chǎng)具有重要的推動(dòng)作用。現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)所包含的傳感器和處理器越來(lái)越多。隨著傳感器和處理器價(jià)格的不斷降低，取代機(jī)械控制結(jié)構(gòu)的閾值也在不斷變化。在電力電子系統(tǒng)中選擇正確的傳感器組合和處理算法可以顯著地降低原材料及能耗的費(fèi)用并提高系統(tǒng)的總體性能。

本文就針對(duì)電力電子行業(yè)的數(shù)字化需求，介紹了萊姆新一代數(shù)字化傳感器解決方案。

2、S-D型ADC原理及特點(diǎn)

所謂的 S-D ADC的原理，就是利用過(guò)采樣(Oversampling)技術(shù)、噪聲整形技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)以很低的采樣分辨率和很高的采樣速率將模擬信號(hào)數(shù)字化，將高分辨率的轉(zhuǎn)換問(wèn)題化簡(jiǎn)為低分辨率的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，增加有效分辨率。與幾種傳統(tǒng)ADC相比，過(guò)采樣Σ-ΔA/D變換器由于采用了過(guò)采樣技術(shù)和Σ-Δ調(diào)制技術(shù)，增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬電路的比例，并且易于與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片集成，因而能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高精度的A/D變換器，適應(yīng)了VLSI(VeryLarge Scale Integrated circuites）技術(shù)發(fā)展的要求。

其主要的特點(diǎn)為：

◆Σ-△型A/D轉(zhuǎn)換器基于過(guò)采樣Σ-△調(diào)制和數(shù)字濾波，利用比奈奎斯特采樣頻率大得多的采樣頻率得到一系列粗糙量化數(shù)據(jù)，并由后續(xù)的數(shù)字抽取器計(jì)算出模擬信號(hào)所對(duì)應(yīng)的低采樣頻率的高分辨率數(shù)字信號(hào)。

◆其表現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)是元件匹配精度要求低，電路組成以數(shù)字電路為主，能有效的用速度換取分辨率，無(wú)需微調(diào)工藝就可獲得較高位數(shù)的分辨率，制作成本低，適合于標(biāo)準(zhǔn)CMOS單片集成技術(shù)。

◆∑-△調(diào)制器以采樣速率輸出1bit數(shù)據(jù)流，頻率可高達(dá)MHz量級(jí)，例如萊姆HMSR/HO等系列產(chǎn)品頻率均可達(dá)20MHz。數(shù)字濾波和抽取的目的是從該數(shù)據(jù)流中提取出有用的信息，并將數(shù)據(jù)速率降低到可用的水平。

◆∑-△ADC 中的數(shù)字濾波器對(duì)1bit數(shù)據(jù)流求平均，移去帶外量化噪聲并改善ADC的分辨率。數(shù)字濾波器決定了信號(hào)帶寬、建立時(shí)間和阻帶抑制。

3、LEM 開(kāi)環(huán)數(shù)字輸出電流傳感器

LEM公司針對(duì)數(shù)字化的市場(chǎng)需求，在經(jīng)典開(kāi)環(huán)傳感器的基礎(chǔ)上基于∑-△ ADC的技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了一系列的先進(jìn)數(shù)字輸出傳感器。其基本原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字傳感器及濾波應(yīng)用框圖

原邊電流，即被測(cè)電流Ip產(chǎn)生的磁場(chǎng)被敏感元件HALL檢測(cè)輸出弱電壓信號(hào)VH, VH與檢測(cè)到電流成正比。然后經(jīng)過(guò)O.A放大、∑-△調(diào)制及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理后，輸出Vout表示原邊電流模擬量的實(shí)際狀況。為了優(yōu)化性能，HALL和信號(hào)處理電路被組合成一個(gè)單獨(dú)的CMOS ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit).  

LEM開(kāi)發(fā)研制了性能優(yōu)越的新一代帶二階∑-△調(diào)制器的集成ASIC，并被應(yīng)用在新的產(chǎn)品系列中。傳感器輸出信號(hào)為比特流，比特流中1的密度與被測(cè)量的電流成比例（如圖2所示）。

圖2 輸出比特流示意

用戶需要使用一個(gè)數(shù)字濾波器來(lái)處理比特流，如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)是接口簡(jiǎn)單，而且使用者可以選擇和定義濾波器，以便輸出格式適用具體的應(yīng)用和匹配系統(tǒng)的需求。

圖3 數(shù)字傳感器及濾波應(yīng)用框圖

4、LEM數(shù)字傳感器HLSR/HO及應(yīng)用實(shí)例

4.1 新型數(shù)字輸出傳感器HLSR/HO系列特點(diǎn)

萊姆最新發(fā)布的系列數(shù)字輸出型開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器：HO和HLSR，它們就是基于Σ-Δ調(diào)制器原理，輸出信號(hào)為1位串行比特流信號(hào)的數(shù)字傳感器。該新品具有4種不同的機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)滿足PCB安裝和盤(pán)式安裝的要求，其可以對(duì)額定值為16、32、40、50、80、100、120、150、200、250ARMS的電流進(jìn)行測(cè)量（如表1所示，圖4所示），并具有20kHz帶寬，12位的分辨率。

圖4 新型數(shù)字傳感器

新型數(shù)字傳感器能夠提供多種數(shù)字信號(hào)輸出。包括2線制模式，CMOS（時(shí)鐘可以為輸入或輸出模式）、RS422 Manchester或LVDS Manchester，可滿足最小化所需的連接；或LVDS或RS 422（時(shí)鐘輸入或輸出）4線制模式。數(shù)字輸出允許使用者選擇合適的濾波器來(lái)處理比特流，以便于在分辨率和響應(yīng)時(shí)間之間進(jìn)行優(yōu)化。

表1.新型數(shù)字傳感器特性表（部分特性）

HO系列增加了2個(gè)額外的引腳，可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的差分信號(hào)處理，滿足RS422和LVDS標(biāo)準(zhǔn)。另外，傳感器時(shí)鐘輸入信號(hào)可配置范圍為5 – 12.5MHz，所以整個(gè)系統(tǒng)可以使用同一時(shí)鐘。

4.2 數(shù)字傳感器應(yīng)用實(shí)例

對(duì)一個(gè)給定的比特流，用戶可以采用幾個(gè)不同的濾波器（如圖5）。例如：為實(shí)現(xiàn)“電流環(huán)”功能：如果采用sinc3濾波器、512的過(guò)采樣率（OSR），則可得到有效分辨率為12位，帶寬為5.5kHz的信號(hào)。

同樣的，為實(shí)現(xiàn)“超限檢測(cè)”功能，如果采用sinc2濾波器、16的OSR，對(duì)應(yīng)相同的比特流則可得到分辨率為6位，5.5μs響應(yīng)時(shí)間的信號(hào)。

另外，為了提高設(shè)備的安全性，HO系列傳感器還具有過(guò)流檢測(cè)（OCD）功能，它可以在A/D變換器前級(jí)檢測(cè)過(guò)流信號(hào)，并給出相應(yīng)的輸出值，使系統(tǒng)快速啟動(dòng)保護(hù)電路，得到保護(hù)目的。OCD的響應(yīng)時(shí)間為2us。

圖5 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)例

5、結(jié)論

本文針對(duì)電力電子數(shù)字化的需求做了簡(jiǎn)要介紹，結(jié)合對(duì)∑-△ADC原理的闡述，以及萊姆開(kāi)環(huán)數(shù)字輸出傳感器原理的分析，說(shuō)明了使用數(shù)字輸出的濾波器的特點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上較為全面的介紹了萊姆新型數(shù)字傳感器HO/HLSR系列產(chǎn)品，并給出了應(yīng)用實(shí)例。通過(guò)該實(shí)例可以明顯看到數(shù)字輸出傳感器的靈活性、優(yōu)越性，為未來(lái)電流檢測(cè)的數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)，具有較深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Delta-sigma_modulation

[2]LEM application note: digitaloutput transducers andΣΔconversion.

[3]LEM datasheet: digitalcurrent transducer HO-SW Series. 15March2018/version 2

[4] LEM datasheet: digitaloutput transducers HO-PW series. 15March2018/version 3

[5] LEM datasheet: digitaloutput transducers HO-NPW series. 14March2018/version 2

[6] LEM datasheet: digitaloutput transducers HLSR-PW series. 15March2018/version 3

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