低成本熱釋電傳感器可用于人員檢測和熱源遠程監(jiān)控。它們由一個陶瓷晶體組成，該晶體由一個 JFET 前置放大器進行局部緩沖，該前置放大器通過一個外部負載電阻器獲取其漏極電流偏置。

與傳感器的固有偏移電壓（5 V 激勵時超過 1，800 mV）相比，入射 IR 的輸出電壓變化非常小（峰峰值約為 3.6 mV，對于用于制作系統(tǒng)原型的 Murata 傳感器）。失調(diào)電壓對溫度高度敏感。因此，接口電路必須區(qū)分此偏移電壓的變化和對應(yīng)于運動的實際傳感器輸出。接口電路有其工作要做，因為對應(yīng)于運動的信號通常小于偏移電壓的 0.2%。

PIR 傳感器的數(shù)據(jù)表通常會針對不同的操作模式顯示各種不同的應(yīng)用電路。這些電路需要大量龐大的外部無源和有源元件來濾除低頻偏移電壓。這些電路對來自傳感器元件的緩沖輸出的交流信號提供寬帶通響應(yīng)。直流和極低頻信號被響應(yīng)的高通部分抑制，截止頻率通常低于 0.01 Hz，從而以分鐘為單位測量建立和恢復(fù)時間！在高端，約 50 Hz 以上的頻率被抑制，通常具有兩極響應(yīng)（但不足以應(yīng)對大量交流線路頻率調(diào)制）。應(yīng)用于通過的信號的中頻帶增益是 10，000 到 40，000 之間的任何值！

圖 1 中的 PSoC 系統(tǒng)使用混合（模擬加數(shù)字）伺服環(huán)路來消除 DC 偏移，從而形成一種低成本的單芯片解決方案，其占用的面積和體積要小得多，并且可以集成在一個小型傳感器單元中。 這種集成的傳感器加 SoC 封裝與獨立傳感器的尺寸相同，可以提供高模擬輸出電平、數(shù)字輸出（包括 LED 驅(qū)動器）以及 UART、I2C、SPI 等主機連接選項。在數(shù)字域中執(zhí)行，使用固件或可編程硬件，SoC 解決方案非常靈活。集成的 SoC 可以在現(xiàn)場重新配置以滿足應(yīng)用的要求。此外，伺服回路的參數(shù)可以在運行時使用主機控制器重新調(diào)整，以適應(yīng)環(huán)境的變化。

圖 1：用于 PIR 接口電路的 Cypress Semiconductor PSoC 4200 解決方案。

圖 2 顯示了使用 PSoC 的可編程模擬和數(shù)字模塊實現(xiàn)伺服環(huán)路。ADC 的轉(zhuǎn)換開始信號是使用分頻器從 PWM 輸出生成的。這種安排使 ADC 轉(zhuǎn)換與 PWM 伺服反饋同步，并減少了 ADC 輸出中的這種噪聲分量。PWM 以 5.8 kHz 運行。ADC 采樣率約為每秒 293 個樣本。在伺服環(huán)路電路中，Rpwm_1、Rpwm_2 和 Cpwm 構(gòu)成一個用于 PWM 輸出的 T 濾波器。Rg1 和 Rg2 提供接近 PIR 傳感器偏移電壓的直流偏置。PWM 濾波器電路組合可用作具有成本效益的高分辨率 12 位 DAC。

圖 2：使用 SoC 的可編程模塊實現(xiàn)。

從運算放大器的反相輸入到地的等效電阻接近 60 kΩ。因此，同相放大器的增益約為 113。

中高頻噪聲由連接在反饋電阻上的中等大小的電容器控制，以提供數(shù)百赫茲的帶寬。只需要這個單一增益級，因為系統(tǒng)靈敏度的其余部分將來自隨后的 ADC 級。使用單個放大器可節(jié)省功率、降低成本并改善過載行為。

放大器的非反相輸入有一個接地電容和一個電阻連接到 I/O 引腳，該引腳由 12 位 PWM DAC 驅(qū)動，其輸入字來自數(shù)字積分器，可以在固件或可編程數(shù)字硬件。

運算放大器輸出驅(qū)動 SAR 的反相輸入，其非反相輸入接地。這種連接反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器輸出的意義。SAR 以大約 293 sps 的速度轉(zhuǎn)換。ADC 的孔徑時間可以保留為默認設(shè)置，因為反饋環(huán)路中的電容器將閉環(huán)增益滾動到遠低于 ADC 等效孔徑頻率的單位。

ADC 輸出格式設(shè)置為有符號，因此 1.024 V 的輸入電壓（參考電壓值）將導(dǎo)致 ADC 處的代碼全為零。ADC 驅(qū)動積分器，當(dāng)環(huán)路閉合時，積分器輸出將四處移動以保持 ADC 代碼的平均值為零。換句話說，這個過程既充當(dāng)高通濾波器，又充當(dāng)工作點穩(wěn)定器。它取代了阻止傳感器直流偏置的大電容值。因為它是在代碼中實現(xiàn)的，它可以很容易地被暫停、重置或加速，這意味著系統(tǒng)可以在上電后很快穩(wěn)定下來。與依賴大 RC 時間常數(shù)的無源電路相比，這是一個顯著優(yōu)勢。

除了饋入積分器外，ADC 的輸出數(shù)據(jù)還應(yīng)用于 0.005 Hz 至 0.01 Hz 的一階 IIR 高通濾波器，從而消除了任何未被伺服環(huán)路完全抑制的 DC 和低頻信息。之后，一個合適的低通濾波器會阻止任何被認為不合需要的更高頻率，并將此階段的分辨率擴展到遠低于此處使用的 ADC 設(shè)置的正常 12 位分辨率下限。在涉及的采樣率下，這些濾波器可以在 CPU 中實現(xiàn)。整體響應(yīng)看起來像一個帶通濾波器，在這種數(shù)字實現(xiàn)中顯然更加可配置。

放大器、ADC、數(shù)字積分器和 PWM DAC 構(gòu)成一個閉合伺服環(huán)路，可消除傳感器輸出的直流偏移。當(dāng)傳感器偏移發(fā)生變化時，積分器累積誤差信號并通過 PWM DAC 改變放大器偏置，從而使運算放大器輸出（和 ADC 計數(shù)）保持為零。因此，偏移量的任何變化都無效。然而，與運動相對應(yīng)的傳感器輸出的變化不會被抵消，因為伺服回路的速度不足以響應(yīng)傳感器輸出的突然變化。伺服環(huán)路的典型頻率響應(yīng)如圖 3 所示。

圖 3：伺服回路的頻率響應(yīng)

過濾后的 ADC 值可以以多種方式使用。可以將其與閾值進行比較，并在超過閾值時發(fā)出警報。它可以應(yīng)用于定時電路，只有當(dāng)電平超過預(yù)設(shè)時間時才會觸發(fā)警報，然后警報可以延長，即使刺激消失也能持續(xù)預(yù)設(shè)的持續(xù)時間。可以為信號的上升和下降值設(shè)置單獨的閾值。這允許 PIR 傳感器區(qū)分接近和后退的熱源。

如果需要，數(shù)字輸出也可以轉(zhuǎn)換回高幅度模擬信號。過濾后的 ADC 計數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)過適當(dāng)縮放并應(yīng)用于另一個 PWM 模塊的輸入。PWM 信號被施加到一個引腳，其輸出由 RC 濾波器進行低通濾波，并使用所選 SoC 器件中的其他可用運算放大器進行緩沖。該輸出可以作為照射傳感器的輸入紅外變化的副本傳遞到外部電路。

該項目的固件流程如圖4所示。固件濾波器和積分器需要實時運行，伺服回路才能工作。因此，固件集成器和濾波器包含在 ADC 中斷服務(wù)程序中。非關(guān)鍵函數(shù)位于 main.c 的外循環(huán)中。

圖 4：固件流程圖。

除了運行伺服循環(huán)和輸出例程外，固件還可以使用現(xiàn)代可編程 SoC 中提供的各種通信模塊（例如 UART、I2C、SPI 等）將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機控制器以進行實時監(jiān)控。主機還可以在運行時通過將命令發(fā)送回 SoC 來重新調(diào)整循環(huán)參數(shù)。

圖 5 顯示了系統(tǒng)的典型輸出。Wn 的大變化表明檢測到運動。濾波器系數(shù)和閾值窗口可以在運行時進行調(diào)整。這不僅對在開發(fā)過程中表征和優(yōu)化設(shè)計很有用，而且在操作過程中對其進行調(diào)整也很有用。具有集成無線連接（如藍牙）的 SoC 正在上市，為工業(yè)和環(huán)境傳感帶來了一種新的無線方法。

圖 5：系統(tǒng)的典型輸出。

這個簡單的應(yīng)用程序展示了現(xiàn)代可編程 SoC 的高度集成特性與設(shè)計工具的靈活性相結(jié)合，如何為已建立的電路和系統(tǒng)設(shè)計問題帶來全新的現(xiàn)代解決方案。

作者：Nidhin Mulangattil Sudhakaran，Kendall Castor-Perry

審核編輯：郭婷