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用于无线传感的模拟信号处理和数据采集

徐琮辉  
【摘要】: 随着现代人们对环境,安全及健康问题的目益关注,无线传感网络逐渐成为学界研究与业界开发的热点。这其中对传感节点研究尚处于萌芽阶段,还没有过系统的分析与设计。本文针对这个方向,宏观地对传感节点进行分类总结,而后对于两大类传感节点分别给出了设计方案和电路结构,并分析了电路设计时的各方面权衡,给出设计实例。 论文首先对无线传感网络进行介绍,叙述了其基本概念和应用环境,对组成无线传感网络硬件的三部分子系统进行了分别的功能描述。 其次,对无线传感网络中的传感节点进行了详细分析,根据电路结构特征提出了性能衡量指标FOM,依照应用环境的不同将传感节点分为功耗优先与精度优先两种,并分别给出了设计方案和电路结构。 而后,以温度传感节点作为功耗优先传感节点设计方案实例,依照之前提出的设计方法与电路结构,分析温度传感模拟前端误差模型,实现提出的差值测量方式;分析了低通模数转换器的选择与设计,基于Sigma-Delta模数转换器理论、建立过程、非理想因素、功耗和电路噪声的总结论述,提出了一整套基于功耗优化的Sigma-Delta调制器设计流程,理论上证明了这套功耗优化设计流程可实现目前已发表最高性能Sigma-Delta模数转换器的指标,并给出其最大效用范围,以此为指导实现了10bit单环两阶Sigma-Delta模数转换器。 同时,以生物医疗传感节点作为精度优先传感节点设计方案实例,同样按照之前提出的设计方法与电路结构为依据,介绍了作为生物医疗传感模拟前端的电极输出信号特征;分析了预处理模块电路,完成了预想的将微弱生物医疗传感信号加载到高频再放大的处理方案,成功克服了1/f噪声带来的影响,体现出极高精度的设计思路;分析了带通Sigma-Delta调制器噪声传递函数零点优化和环路稳定性,完成了功耗优化Sigma-Delta调制器设计流程,添加噪声传递函数零点优化方案,设计出单环四阶带通81dB动态范围Sigma-Delta调制器。 最后,对温度传感节点进行了流片测试,并将测试结果与已有文献做了比较,证实了功耗优先传感节点设计方案的有效性;将生物医疗传感节点流片测试结果与已有文献做比较,证实了精度优先传感节点设计方案的有效性。


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