在微处理器【qì】和【hé】传感器变【biàn】得【dé】越来越便宜的今天，全自动或半自动【dòng】系统【tǒng】可以包含更多智能性功能，能【néng】从【cóng】其环境【jìng】中【zhōng】获得并处理更多【duō】不同的【de】参数。数字传感器【qì】的体积非常微小【xiǎo】并且能耗与【yǔ】成本也很低，具有巨大的应用潜力和前景。同时，数【shù】字化传感器对【duì】电【diàn】子市场具有重要的推动作【zuò】用。现在【zài】系统设计所包含的【de】传感【gǎn】器和处理器越【yuè】来越多。随着传感器【qì】和处【chù】理【lǐ】器价【jià】格的不断降【jiàng】低【dī】，取代机械控【kòng】制结【jié】构【gòu】的阈值也在不断变化。在电力电子系统中选择正确的传感【gǎn】器组合和处理算【suàn】法可【kě】以显著地降低原材【cái】料及能耗的费用并【bìng】提高系统的总【zǒng】体性能。
本文就【jiù】针对电力电子行业【yè】的数【shù】字化需求，介【jiè】绍了莱姆新一代数字化传【chuán】感【gǎn】器解【jiě】决方案。
2S-D型ADC原理及特点
所谓的 S-D ADC的原【yuán】理，就是利用过【guò】采【cǎi】样(Oversampling)技术、噪【zào】声整形技术【shù】和【hé】数字滤波技术以很低的采【cǎi】样分辨率【lǜ】和很高的采样速率将模【mó】拟信号数字化，将高【gāo】分辨率的转换【huàn】问题化简【jiǎn】为低分【fèn】辨率的转【zhuǎn】换【huàn】问题，增加【jiā】有效分辨率。与几种传统ADC相比【bǐ】，过采样【yàng】Σ-ΔA/D变换器【qì】由于【yú】采【cǎi】用了过采样技【jì】术和Σ-Δ调制技术，增加了系统中数字电路【lù】的比例，减少【shǎo】了【le】模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单【dān】片集成，因而【ér】能够以【yǐ】较低的成本实现【xiàn】高精度的A/D变换器，适【shì】应了VLSI(VeryLarge Scale Integrated circuites)技术发展【zhǎn】的要求【qiú】。
其主要的特点为：
Σ-△型A/D转换器基【jī】于过采样Σ-△调制和数字滤波【bō】，利用比奈奎斯特采样【yàng】频率大【dà】得多的【de】采样频【pín】率得到一【yī】系列粗【cū】糙量化数据，并由后续【xù】的数字抽【chōu】取器计算出模【mó】拟信号所对应的低【dī】采样频【pín】率【lǜ】的高分辨率数字信号【hào】。
其表现出的【de】优点【diǎn】是【shì】元件匹配精度要求低，电路【lù】组成以【yǐ】数字电路为主【zhǔ】，能有【yǒu】效的【de】用速度换取分辨率，无需微调工【gōng】艺就可获得【dé】较高位【wèi】数的分辨率，制作【zuò】成本【běn】低，适合于标准CMOS单片集成技术。
∑-△调制器以采样速率输出【chū】1bit数据【jù】流【liú】，频率【lǜ】可高达MHz量级，例如莱姆HMSR/HO等系列产品频【pín】率均可【kě】达20MHz。数字滤波和抽取【qǔ】的【de】目的是【shì】从该数【shù】据流中提取出【chū】有用的信息，并将数据速【sù】率降低到可用的【de】水平。
∑-△ADC 中的数字滤波器对1bit数据流求平均，移去【qù】带外量化噪声并【bìng】改善ADC的【de】分辨率。数字【zì】滤波器决【jué】定了信号带宽、建立时间【jiān】和阻带【dài】抑【yì】制。
3LEM 开环数字输出电流传感器
LEM公司针【zhēn】对数字化的市场需求【qiú】，在经典开环传感器的基【jī】础上基于∑-△ ADC的【de】技术，开【kāi】发出了【le】一系列【liè】的先进数字【zì】输出传感器。其基【jī】本原理如图【tú】1所示。
图1 数字传感器及滤波应用框图
原边电流，即被【bèi】测电流Ip产生的磁【cí】场被敏感元件【jiàn】HALL检测输【shū】出弱【ruò】电压信号VH, VH与检测【cè】到【dào】电流成正比。然后经过O.A放大【dà】、∑-△调制及【jí】标准数字化转【zhuǎn】换【huàn】等信号【hào】处理后，输【shū】出【chū】Vout表【biǎo】示原【yuán】边电流【liú】模拟量的实际状况。为了优化性能，HALL和信号处【chù】理【lǐ】电路被组合成一个单独的CMOS ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit).
LEM开发研制了【le】性能优【yōu】越的新【xīn】一代【dài】带二阶【jiē】∑-△调制器【qì】的集成ASIC，并被应【yīng】用在新的产【chǎn】品系列中。传【chuán】感器【qì】输出信号为比特流，比特【tè】流中1的密度【dù】与被【bèi】测量的电流成比例(如图2所示【shì】)。
图2 输出比特流示意
用户需要使用【yòng】一个数字滤波【bō】器【qì】来处【chù】理比特流，如图3所示。其优点是接口简单，而且使用者可以选【xuǎn】择【zé】和定【dìng】义滤【lǜ】波器，以便输出格式适用具体【tǐ】的【de】应用和匹配系统【tǒng】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【lái】姆最【zuì】新发布的系列数【shù】字输【shū】出型开环霍尔效应电流传感【gǎn】器：HO和HLSR，它们就是基于Σ-Δ调制【zhì】器原理，输出【chū】信号为1位串行比特流【liú】信号【hào】的数字【zì】传感器。该新【xīn】品具有4种不同【tóng】的机械设计来满足PCB安装和盘式安【ān】装的要求，其可以对【duì】额【é】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【bìng】具【jù】有20kHz带宽，12位的分辨率【lǜ】。
图4 新型数字传感器
新型数字传感【gǎn】器【qì】能【néng】够提【tí】供多【duō】种数【shù】字信号【hào】输出。包【bāo】括2线制模式，CMOS(时钟可以为输入或输出模式)、RS422 Manchester或LVDS Manchester，可满足最小化所需的连接;或LVDS或RS 422(时钟输入或【huò】输出)4线制模式。数字【zì】输出允许使【shǐ】用【yòng】者选择合适的滤波器来处理【lǐ】比特流，以便于在【zài】分辨【biàn】率和【hé】响应时间之【zhī】间进行优【yōu】化。
表1.新型数字传感器特性表(部分特性)
HO系【xì】列增加了2个额外的引【yǐn】脚【jiǎo】，可实现时【shí】钟和数据的差分【fèn】信号处【chù】理，满【mǎn】足RS422和LVDS标【biāo】准【zhǔn】。另外，传感器【qì】时钟输入信号可配置范围为5 – 12.5MHz，所以整个系统【tǒng】可以使用同一时钟。
4.2 数字传感器应用实例
对一个给定的比【bǐ】特【tè】流，用户可以采用几个不同的滤波器(如图5)。例如：为实【shí】现【xiàn】“电流【liú】环”功能：如果采用sinc3滤【lǜ】波器、512的过采样【yàng】率(OSR)，则可得到有效分辨率为12位，带【dài】宽为5.5kHz的信【xìn】号。
同【tóng】样的，为【wéi】实现“超限检【jiǎn】测”功能，如果采用sinc2滤波器、16的OSR，对【duì】应相同的比【bǐ】特流则【zé】可【kě】得到分辨率为6位，5.5µs响【xiǎng】应时间的信号。
另【lìng】外，为了提高设备的安【ān】全性，HO系列【liè】传感器还具有过流检测(OCD)功能，它可【kě】以在A/D变换【huàn】器前级【jí】检测过流信号【hào】，并给出【chū】相【xiàng】应的输出值【zhí】，使系统快速启动保护【hù】电路，得到保护目的。OCD的响【xiǎng】应时间【jiān】为2us。
图5 数字信号处理实例
5结论
本文针对【duì】电力电子【zǐ】数字化的需求做了简要介绍，结合对∑-△ADC原【yuán】理的阐述，以【yǐ】及莱姆【mǔ】开环数字输出【chū】传感器原理【lǐ】的分【fèn】析，说明了使用数【shù】字输出【chū】的滤波器的特【tè】点【diǎn】;在此基础上【shàng】较为全面的介绍了莱姆新【xīn】型数字传感器HO/HLSR系列【liè】产品，并给出了应用【yòng】实【shí】例。通【tōng】过该实例可以【yǐ】明显看到数字输出传【chuán】感器的灵活性、优越性，为未【wèi】来电流检测的数字化奠定了【le】基础，具有【yǒu】较深远的意【yì】义【yì】。
