傳感器信號通道設計

本設計指南闡述了常見(jiàn)傳感器變送器的信號鏈路，適用于壓力、溫度、電流、光信號檢測以及接近檢測。文章介紹了信號通道錯綜復雜的選擇，其中給出的設計案例和原理框圖有助于讀者選擇最佳器件，以滿(mǎn)足系統的不同需求。

壓力傳感器和稱(chēng)重(加載/感應)

概述

在現代工業(yè)控制和系統監測領(lǐng)域，通常需要監測、測量壓力和重量。由于壓力可直接用來(lái)測量流體、高度及其它物理量，壓力測量尤其重要。由于加載是影響傳感器輸出的一項屬性，壓力、重量測量裝置可以看作是“加載傳感器”。加載傳感器的應用非常廣泛，包括從真空計到重型機械稱(chēng)重，以及工業(yè)液壓設備、絕對壓力傳感器等各個(gè)領(lǐng)域。每種應用對精度、準確度和成本都有不同的具體需求。

雖然壓力和重量(加載/感應)的測量方法和技術(shù)有許多，但最常用的測量裝置是應力計。

最常見(jiàn)的應力計有兩種：一種是重量/壓力傳感器大多采用的金屬箔;另一種是基于半導體的壓阻式傳感器，廣泛用于壓力測量。相對于金屬箔傳感器，壓阻式傳感器靈敏度更高，線(xiàn)性度也更好，但容易受溫度的影響，并有一定的初始偏差。

從原理上講，所有應力計在受到外力時(shí)都會(huì )改變電阻值。因此，有電信號激勵時(shí)，即可有效地將壓力、重量轉換成電信號。通常在惠斯通電橋(有時(shí)稱(chēng)為測壓元件)上放置1個(gè)、2個(gè)或4個(gè)這樣的有源電阻元件(應力計)，從而產(chǎn)生與壓力或重量對應的差分輸出電壓。

工程師可以設計一種能夠滿(mǎn)足多種加載/感應系統需求的傳感器模塊。一款成功的設計需要包括用于檢測物理量的傳感器元件和設計合理的信號鏈路。

圖1 加載/感應系統的信號鏈路框圖。

完備的信號鏈路方案

傳感器信號鏈路必須能夠處理帶有噪聲的弱信號。為了準確測量電阻式傳感器輸出電壓的變化，電路必須具備以下功能：激勵、放大、濾波和采集。有些解決方案可能還要求采用數字信號處理(DSP)技術(shù)對信號進(jìn)行處理、誤差補償、數字放大以及用戶(hù)可編程操作。

激勵

具有極低溫漂的高精度、穩定的電壓或電流源常常用作傳感器激勵。傳感器輸出與激勵源成比例(往往以mV/V表示)。因此，設計時(shí)，模/數轉換器和激勵電路通常采用一個(gè)公共基準，或者將激勵電壓作為ADC的基準?？梢岳酶郊拥腁DC通道精確測量激勵電壓。

傳感器/電橋

信號鏈路的這部分功能包括應力傳感器，它被放置在測壓元件(惠斯通電橋設計)部分，如上文中的“概述”部分。

放大和電平轉換模擬端(AFE)

有些設計中，傳感器輸出電壓范圍非常小，要求分辨率達到nV級。這種情況下，在將傳感器輸出信號送至ADC輸入之前，必須對信號進(jìn)行放大。為了防止放大階段引入誤差，需要選擇低失調電壓(VOS)、低溫漂的低噪聲放大器?；菟雇姌虻娜秉c(diǎn)是共模電壓遠遠大于有用信號。這意味著(zhù)LNA還必須具有非常高的共模抑制比(CMRR)，通常大于100dB。如果采用單端ADC，則需附加電路在數據采集之前消除較高的共模電壓。此外，由于信號帶寬很窄，放大器的1/f噪聲也會(huì )引入誤差。因此，最好采用斬波穩定放大器。使用分辨率非常高的ADC，占用滿(mǎn)量程范圍的一小部分有助于降低對放大器的苛刻要求。

采集-ADC

選擇ADC時(shí)需嚴格確認其技術(shù)指標，例如：無(wú)噪聲范圍或有效分辨率，該指標表示ADC能夠辨別固定輸入電平的能力。一種替代指標是無(wú)噪聲計數或編碼。大多數高精度ADC的數據資料把這些指標表示為噪聲峰值或RMS 噪聲與速度的對應關(guān)系表，有時(shí)也以噪聲直方圖的形式表示這些指標。

其它需要考慮的ADC指標包括：低失調誤差、低溫漂及優(yōu)異的線(xiàn)性度。對于特定的低功耗應用，速度與功耗的關(guān)系也是非常重要的規格。

濾波

傳感器信號的帶寬一般很窄，對噪聲的敏感度較高。因此，通過(guò)濾波限制信號的帶寬可顯著(zhù)降低總體噪聲。利用Σ-Δ ADC能夠簡(jiǎn)化噪聲濾波要求，因為這種架構提供固有的過(guò)采樣特性。

數字信號處理(DSP)-數字域

除模擬信號調理外，為了提取信號并降低噪聲，還需要在數字域對所采集的信號作進(jìn)一步處理。通常需要找到針對具體應用及其細微差別的算法。有些通用算法，例如，數字域的失調和增益校準、線(xiàn)性化處理、數字濾波和基于溫度(或其它制約因素)的補償。

信號調理/集成方案

有些集成方案把所有需要的功能模塊集成在單一芯片，通常稱(chēng)為傳感器信號調理器IC。信號調理器是一種專(zhuān)用IC (ASIC)，它對輸入信號進(jìn)行補償、放大和校準，能夠覆蓋較寬的溫度范圍。根據對信號調理器的不同精度要求，ASIC會(huì )集成以下全部或部分模塊：傳感器激勵電路、數/模轉換器(DAC)、可編程增益放大器(PGA)、模/數轉換器(ADC)、存儲器、多路復用器(MUX)、CPU、溫度傳感器以及數字接口。

常見(jiàn)的信號調理器有兩種類(lèi)型：模擬信號通路的調理器(模擬調理器)和數字信號通路的調理器(數字調理器)。模擬調理器的響應時(shí)間較快，提供連續的輸出信號，反映輸入信號的實(shí)時(shí)變化。它們通常采用硬件補償機制(不夠靈活)。數字調理器往往基于微控制器，由于A(yíng)DC和DSP算法具有一定的執行時(shí)間，響應時(shí)間較慢。應該考慮ADC的分辨率，將量化誤差降至最小。數字信號調理器的最大好處是提供靈活的補償算法，可根據用戶(hù)的應用進(jìn)行調整。

溫度檢測