无线传感器网络节点的复数滤波器及电源管理模块的研究

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无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)作为一种有效的信息传输平台,在环境环保监测、医疗诊治检查、军工国防建设、工业生产监控和智能家居等领域受到广泛关注。一般WSN节点由电源管理模块、微处理器模块和通信模块等组成,随着片上系统(Systerm on Chip SoC)技术的发展,基于片上集成WSN节点逐渐发展起来,将WSN节点中各个分立模块集成在同一块芯片上,不仅有利于增加WSN节点的集成度、减小功耗,而且有利于降低WSN节点的成本。  本文在完成对WSN节点国内外研究现状调研的基础上,针对片上集成WSN节点通信模块中高阶复数滤波器难以实现和校正的难点,设计了一款带有校正功能的四阶Butterworth有源RC复数滤波器,详细阐述了复数滤波器的公式推导、参数计算,并推导了多阶复数滤波器的参数计算公式,为多阶复数滤波器的分析、设计提供了有力的理论依据,从数学建模角度论证了多阶复数滤波器的可实现性。  针对复数滤波器时间常数RC需要校正的问题,为滤波器设计了相应的校正系统,包括校正调整模块和数字逻辑控制模块,提出一种校正控制算法,为实现该校正控制算法,提出并设计了具体的数字逻辑控制电路,通过仿真验证,本次设计的校正系统满足复数滤波器的要求。对有源复数滤波器中的运算放大器进行了详细的论述,并为复数滤波器设计一个高增益、大摆幅的运算放大器。在设计运算放大器共模反馈电路时,提出一种新的尾电流源结构,既增强了共模反馈电路的稳定性,又有利于共模反馈的实现。  一般WSN节点由直流电池供电,电池容量有限,续航时间较短,WSN在使用时需要经常更换电池,为此,本文采用市电经过降压、整流和滤波后为其供电,为适应此种供电方式,本文为片上WSN节点设计了一个集成于芯片内部的电源管理模块,提出并设计了一种5V自给基准偏压的前置稳压器,该前置稳压器采用双闭环控制系统,内环输出5V稳定电压,外环提供参考基准电压。针对参考基准需要温度补偿的问题,提出一种温度补偿方法,并设计了具体的温度补偿电路,从而使参考基准具有良好的温度特性。在进行电源管理规划时,首先为整个芯片设计了一个5V稳压电源,而复数滤波器等射频模块工作速度高,采用的器件最小沟道长度小,需要的供电电压较低,为此,本文为复数滤波器等射频模块设计一个1.8V稳定电源。  综上所述,基于0.18um工艺,本文为片上集成WSN节点设计了一款带有数字逻辑控制功能的四阶Butterworth有源RC复数滤波器和电源管理模块。在复数滤波器的仿真验证过程中,将复数滤波器的电容、电阻减去原值的15%作为其相应偏差,校正后复数滤波器中心频率2MHZ,带宽2MHz,镜像噪声抑制比48dB。在电源管理模块的仿真验证中,5V稳压器的线性调整率为0.02%,负载调整率为38uV/mA,电源纹波抑制比在低频时为-70.8dB,高频时为-34dB;1.8V稳压器的线性调整率为0.0007%,负载调整率为0.186mV/mA,电源纹波抑制比在低频时为-104dB,高频时为-63.7dB,很好的满足性能要求。
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