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如何防止數字MEMS傳感器出現混疊現象

發布時間:2023-10-9 10:03    發布者:eechina
關鍵詞: MEMS , 傳感器
來源:DigiKey
作者:Tom Bocchino, STMicroelectronics

過去十多年來,基于微機電系統 (MEMS) 的設計人員一直選擇使用數字式 MEMS 傳感器,而不是模擬式。驅動這一趨勢的原因是傳感器產品的利用率、功能集、集成度和成本。選擇數字式 MEMS 傳感器時,工程師面臨著諸如傳感器量程、噪聲、封裝和電流消耗等設計決策。對于加速計等慣性 MEMS 傳感器,設計人員還應考慮傳感器的帶寬特性,以避免不需要的信號混疊到傳感器的信號鏈中。

本文將討論傳感器系統中的混疊基本原理,以及用于消除混疊誤差的幾種方法之間的取舍。

背景知識

MEMS 加速計1 已成為基于狀態的監測 (CbM)、預測性維護 (PdM)、降噪、生物識別反饋和許多其他應用中進行振動檢測的首選解決方案。與以前的壓電和模擬傳感器解決方案相比,數字加速計具有功耗低、成本低和封裝小等主要優勢。數字 MEMS 加速計的可擴展性使系統設計人員能夠在系統中使用多個加速計,并在物理振動點遠程部署傳感器。這樣,系統就能在本地檢測慣性運動,以進行實時分析并立即采取行動,從而達到最佳運行狀態。


圖 1:數字加速計的典型應用。(圖片來源:STMicroelectronics)

由于數字加速計的全集成特性,設計人員必須考慮傳感器的帶寬和頻率響應。這一點在振動應用中尤為明顯,因為設計人員必須防止輸入頻率在傳感器輸出中出現混疊。

奈奎斯特定理

當傳感器采樣速度過慢,無法準確測量輸入信號時,加速計系統中就會出現混疊現象。在振動檢測等 MEMS 傳感器應用中,混疊會導致災難性故障,因為實際振動信號中是可能不存在混疊信號的。

圖 2 所示為一種混疊情況。振動頻率比采樣頻率高 2 倍,導致結果出現混疊波形。實際震動中不存在混疊信號,而是由于對輸入振動的采樣不足而產生的假象;殳B信號來自 ADC 在振動的上坡和下坡時采集的樣本,經過插值后呈現出一種與實際振動不同的波形。


圖 2:低采樣率導致的混疊結果。(圖片來源:STMicroelectronics)

等式 1 著重強調了數字信號處理中采樣率的既定規則,即奈奎斯特定理。根據該規則,采樣頻率 f(采樣)至少是系統中最高頻率 (F) 的兩倍才能防止混疊出現。

  等式 (1)

例如,對于 100 Hz 的振動,只要采樣頻率至少高于 200 Hz 時才能檢測沒有出現混疊的振動信號。如圖 3 所示,當采樣率比最小頻率快得多時,就能正確捕捉到實際振動信號。超采樣是一種數字濾波方法,但需要注意的是,仍可能會有一些不需要的信號泄漏到信號鏈中。


圖 3:超采樣用于防止傳感器輸出中出現混疊。(圖片來源:STMicroelectronics)

使用超采樣作為減少混疊的方法的缺點是,高采樣率導致顯著更高的功耗。典型傳感器的采樣率或輸出數據速率 (ODR) 會直接影響功耗,如圖 4 所示。采樣率越高,電流消耗越大。


圖 4:加速計的電流消耗。(圖片來源:STMicroelectronics)

如圖 5 所示,降低采樣率,使其更接近奈奎斯特頻率,就可降低功耗。這里的采樣率降至 500 Hz,約為目標頻率的 2.5 倍。在 500 Hz 頻率下,實際振動波形仍可通過插值法再現,與 10 倍目標頻率下的采樣相比,電流消耗將有所減少。


圖 5:將采樣率降至振動頻率的 2.5 倍。(圖片來源:STMicroelectronics)

這與上一個例子相比有所改進,但仍有可能將輸入信號中的某些意外高頻成分混入傳感器信號鏈中。

采樣率說明

在使用加速計時,最常見的問題之一是如何為具體應用選擇合適的采樣率。選擇采樣率時,往往需要在性能和電池壽命之間進行權衡。高采樣率會產生龐大的數據文件,不僅難以處理,而且會阻礙通信,降低能效。另一方面,采樣率過低會使系統失真,如前面的示例所示。

幸運的是,我們在選擇最低采樣率方面已經有了成熟的指導原則。在功耗不受限制的應用中,采樣率可設置為數倍于事件頻率。但是,即使采樣率較高,由于振動數據和噪聲的模擬性質,采用數字濾波時也有可能出現混疊。

抗混疊濾波器 (AAF)

除了功耗增加外,數字超采樣還有其他缺點。振動并不總是完美的正弦波,往往具有諧波和噪音等高頻成分。為減少這些影響因素,可在信號采樣前使用低通濾波器消除任何無關的高頻信號。這種低通濾波器也稱為抗混疊濾波器,嵌入在某些型號的 MEMS 加速計中。


圖 6:模擬抗混疊(低通)濾波器。(圖片來源:STMicroelectronics)

抗混疊濾波器的工作原理與低通濾波器基本相同。在 ADC 采樣之前,AAF 會消除高頻成分。AAF 必須置于 ADC 之前,才能執行概念要求。如果將 AAF 放在 ADC 之后,它就變成了數字濾波器,數字濾波器和超采樣的缺點已在前面討論過。

嵌入式 AAF 的加速計系列

LIS2DU12 是在模擬前端內置抗混疊濾波器的 3 軸數字加速計系列。LIS2DU 有三個版本,除基本設計外,每個版本都有一套獨特的功能。這三款器件均采用 STMicroelectronics 的 2 mm x 2 mm 12 引線 MEMS 加速計封裝。每款器件都采用相同的超低功耗架構,抗混疊濾波器使其具有市場上最低的電流消耗。下面重點介紹該器件系列的比較。

LIS2DU12:具有抗混疊和運動檢測功能的超低功耗加速計

LIS2DUX12:嵌入了抗混疊和機器學習核心 (MLC) 的超低功耗加速計

LIS2DUXS12:帶 Qvar、MLC 和抗混疊功能的超低功耗加速計

在 LIS2DU 系列中,低通濾波器在 ADC 之前的信號鏈中實體化,以便在數字轉換之前消除噪聲。

除了抗混疊濾波器這一重要新增功能外,LIS2DU12 還具有多項先進的數字功能。這些特性旨在通過實現一些常用功能(如自由落體、傾斜、輕觸檢測、定向和喚醒)來減輕主微控制器的負擔。LIS2DUX12 還包含一個嵌入式機器學習內核 (MLC),可針對具體應用設計開發更先進的功能。


圖 7:LIS2DUX12 加速計濾波鏈。(圖片來源:STMicroelectronics)

LIS2DU12 模擬抗混疊濾波器的頻率響應如圖 8 所示。下面每條曲線的 25 Hz 至 400 Hz 頻率值指的是濾波鏈帶寬值。


圖 8:LIS2DU12 模擬抗混疊(低通)濾波器。(圖片來源:STMicroelectronics)

最終結果是,LIS2DU12 系列加速計的工作電流大大降低,而精度卻與上一代加速計相同。除了在所有三個版本中嵌入抗混疊濾波器外,LIS2DUX12 和 LIS2DUXS12 是 STMicroelectronics 的首款包含嵌入式 MLC 的消費類 MEMS 器件。

結束語

混疊是導致系統故障的一個重要誤差源。為了減輕混疊影響,設計人員必須首先了解系統,并預測檢測鏈中所有組件的頻率成分。奈奎斯特定理定義了要測量的最高頻率的最小采樣率。

超采樣可以減少混疊影響,但功耗較高。在許多應用中,防止混疊的最佳方法是在 ADC 將采樣轉換到數字域之前,使用抗混疊濾波器消除不需要的頻率。

通過考慮一些指導原則,設計人員可以為具體應用選擇合適的采樣和濾波技術。
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