低功耗电阻/电容式传感器测量电路研究

摘要

作为工业生产和科学研究等活动获取信息的主要途径和手段，传感器为人们探知新事物、测量和控制提供着必要的条件和依据。电阻式和电容式传感器作为两类基本的传感器，随着传感技术的不断发展，其应用范围越来越广。然而，在许多诸如物联网、无源无线测量和可穿戴设备等应用场合，由于对传感器的功耗要求十分苛刻，只有低功耗的电阻/电容式传感器才能得以运用，这使得很多现有的电阻/电容式传感器无法满足应用要求。电阻/电容式传感器的功耗来源于其测量电路，因此，低功耗电阻/电容式传感器的关键在于设计出低功耗的测量电路。基于此，本文提出使用RC方波振荡电路作为电阻/电容式传感器的测量电路，通过低功耗和稳定性的分析与设计，实现了在1mW以内的低功耗下电路较稳定运行，并运用此测量电路设计了一款电阻式磁传感器。
　　本研究主要内容包括：①分析了常用电阻/电容式传感器测量电路的原理，并对其优缺点和局限进行了对比。②选取RC振荡电路作为电阻/电容式传感器的测量电路，并理论分析与对比了各种RC振荡电路，再结合实验分析与对比，最终选取了CMOS反相器构成的RC方波振荡电路作为电阻/电容式传感器的测量电路。③详细分析了CMOS反相器构成的RC方波振荡电路的原理，对其进行低功耗分析与设计的同时分析了影响该振荡电路的稳定性的因素并提出了相应的解决办法。④建立了CMOS反相器构成的RC方波振荡电路电源电压、外界温度和输出频率数据的同步采集存储系统。同时，使用Matlab编写了数据分析处理程序，得出CMOS反相器构成的RC方波振荡电路输出频率与电源电压和外界温度的相关性。⑤采用隧道磁阻TMR2501和CMOS反相器构成的RC方波振荡电路，设计了一款满足低功耗要求的电阻式磁传感器。实验结果表明，该磁传感器在0~30mT的测量范围内，灵敏度为0.24kHz/mT，分辨率为0.14‰，电路总功耗低于990μW。

目录

1 绪 论

1.1引言

1.2研究目的及意义

1.3研究现状

1.4本文主要研究内容

2 电阻/电容式传感器测量电路的选取与设计

2.1 测量电路的选取

2.2 RC振荡电路的对比研究

2.3 测量电路低功耗及稳定性分析与设计

2.4小结

3 电源电压、温度和输出频率采集存储系统设计

3.1 系统构成

3.2 温度数据采集设计

3.3数据采集存储系统软件设计

3.4 实验分析

3.5 石英晶体温度传感器

3.6 小结

4 低功耗电阻式磁场传感器

4.1 传感原理

4.2 隧道磁阻相关实验

4.3 磁场传感

4.4 小结

5 结论与展望

5.1 完成的研究工作

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文