1、导言
在微处理器和传感器变得越来越廉价的今日，全自动或半自动体系能够包含更多智能性功用，能从其环境中取得并处理更多不同的参数。数字传感器的体积十分细小并且能耗与本钱也很低，具有巨大的运用潜力和远景。一起，数字化传感器对电子市场具有重要的推进效果。现在体系设计所包含的传感器和处理器越来越多。跟着传感器和处理器价格的不断下降，替代机械操控结构的阈值也在不断改变。在电力电子体系中挑选正确的传感器组合和处理算法能够显著地下降原材料及能耗的费用并进步体系的整体功用。
本文就针对电力电子职业的数字化需求，介绍了莱姆新一代数字化传感器解决方案。
2、S-D型ADC原理及特色
所谓的 S-D ADC的原理，便是运用过采样（Oversampling）技能、噪声整形技能和数字滤波技能以很低的采样分辨率和很高的采样速率将模仿信号数字化，将高分辨率的转化问题化简为低分辨率的转化问题，添加有用分辨率。与几种传统ADC比较，过采样Σ-ΔA/D变换器因为选用了过采样技能和Σ-Δ调制技能，添加了体系中数字电路的份额，减少了模仿电路的份额，并且易于与数字体系完成单片集成，因此能够以较低的本钱完成高精度的A/D变换器，习惯了VLSI（VeryLarge Scale Integrated circuites）技能发展的要求。
其主要的特色为：
◆Σ-△型A/D转化器根据过采样Σ-△调制和数字滤波，运用比奈奎斯特采样频率大得多的采样频率得到一系列粗糙量化数据，并由后续的数字抽取器计算出模仿信号所对应的低采样频率的高分辨率数字信号。
◆其表现出的长处是元件匹配精度要求低，电路组成以数字电路为主，能有用的用速度交换分辨率，无需微调工艺就可取得较高位数的分辨率，制造本钱低，适合于规范CMOS单片集成技能。
◆∑-△调制器以采样速率输出1bit数据流，频率可高达MHz量级，例如莱姆HMSR/HO等系列产品频率均可达20MHz。数字滤波和抽取的意图是从该数据流中提取出有用的信息，并将数据速率下降到可用的水平。
◆∑-△ADC 中的数字滤波器对1bit数据流求均匀，移去带外量化噪声并改进ADC的分辨率。数字滤波器决议了信号带宽、树立时刻和阻带按捺。
3、LEM 开环数字输出电流传感器
LEM公司针对数字化的市场需求，在经典开环传感器的根底上根据∑-△ ADC的技能，开发出了一系列的先进数字输出传感器。其基本原理如图1所示。
图1 数字传感器及滤波运用框图
原边电流，即被测电流Ip发生的磁场被灵敏元件HALL检测输出弱电压信号VH， VH与检测到电流成正比。然后经过O.A扩大、∑-△调制及规范数字化转化等信号处理后，输出Vout表明原边电流模仿量的实践情况。为了优化功用，HALL和信号处理电路被组合成一个独自的CMOS ASIC（ApplicationSpecific Integrated Circuit）。
LEM开发研发了功用优越的新一代带二阶∑-△调制器的集成ASIC，并被运用在新的产品系列中。传感器输出信号为比特流，比特流中1的密度与被丈量的电流成份额（如图2所示）。
图2 输出比特流暗示
用户需求运用一个数字滤波器来处理比特流，如图3所示。其长处是接口简略，并且运用者能够挑选和界说滤波器，以便输出格局适用详细的运用和匹配体系的需求。
图3 数字传感器及滤波运用框图
4、LEM数字传感器HLSR/HO及运用实例
4.1 新式数字输出传感器HLSR/HO系列特色
莱姆最新发布的系列数字输出型开环霍尔效应电流传感器：HO和HLSR，它们便是根据Σ-Δ调制器原理，输出信号为1位串行比特流信号的数字传感器。该新品具有4种不同的机械设计来满意PCB装置和盘式装置的要求，其能够对额定值为16、32、40、50、80、100、120、150、200、250ARMS的电流进行丈量（如表1所示，图4所示），并具有20kHz带宽，12位的分辨率。
图4 新式数字传感器
新式数字传感器能够供给多种数字信号输出。包含2线制形式，CMOS（时钟可认为输入或输出形式）、RS422 Manchester或LVDS Manchester，可满意最小化所需的衔接；或LVDS或RS 422（时钟输入或输出）4线制形式。数字输出答应运用者挑选适宜的滤波器来处理比特流，以便于在分辨率和呼应时刻之间进行优化。
表1.新式数字传感器特性表（部分特性）
HO系列添加了2个额定的引脚，可完成时钟和数据的差分信号处理，满意RS422和LVDS规范。别的，传感器时钟输入信号可装备规模为5 – 12.5MHz，所以整个体系能够运用同一时钟。
4.2 数字传感器运用实例
对一个给定的比特流，用户能够选用几个不同的滤波器（如图5）。例如：为完成“电流环”功用：假如选用sinc3滤波器、512的过采样率（OSR），则可得到有用分辨率为12位，带宽为5.5kHz的信号。
相同的，为完成“超限检测”功用，假如选用sinc2滤波器、16的OSR，对应相同的比特流则可得到分辨率为6位，5.5µs呼应时刻的信号。
别的，为了进步设备的安全性，HO系列传感器还具有过流检测（OCD）功用，它能够在A/D变换器前级检测过流信号，并给出相应的输出值，使体系快速发动维护电路，得到维护意图。OCD的呼应时刻为2us。
图5 数字信号处理实例
5、定论
本文针对电力电子数字化的需求做了扼要介绍，结合对∑-△ADC原理的论述，以及莱姆开环数字输出传感器原理的剖析，说明晰运用数字输出的滤波器的特色；在此根底上较为全面的介绍了莱姆新式数字传感器HO/HLSR系列产品，并给出了运用实例。经过该实例能够显着看到数字输出传感器的灵活性、优越性，为未来电流检测的数字化奠定了根底，具有较深远的含义。
