傳感器信號(hào)通道設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)指南闡述了常見(jiàn)傳感器變送器的信號(hào)鏈路，適用于壓力、溫度、電流、光信號(hào)檢測(cè)以及接近檢測(cè)。文章介紹了信號(hào)通道錯(cuò)綜復(fù)雜的選擇，其中給出的設(shè)計(jì)案例和原理框圖有助于讀者選擇最佳器件，以滿足系統(tǒng)的不同需求。

壓力傳感器和稱重(加載/感應(yīng))

概述

在現(xiàn)代工業(yè)控制和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，通常需要監(jiān)測(cè)、測(cè)量壓力和重量。由于壓力可直接用來(lái)測(cè)量流體、高度及其它物理量，壓力測(cè)量尤其重要。由于加載是影響傳感器輸出的一項(xiàng)屬性，壓力、重量測(cè)量裝置可以看作是“加載傳感器”。加載傳感器的應(yīng)用非常廣泛，包括從真空計(jì)到重型機(jī)械稱重，以及工業(yè)液壓設(shè)備、絕對(duì)壓力傳感器等各個(gè)領(lǐng)域。每種應(yīng)用對(duì)精度、準(zhǔn)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(yīng))的測(cè)量方法和技術(shù)有許多，但最常用的測(cè)量裝置是應(yīng)力計(jì)。

最常見(jiàn)的應(yīng)力計(jì)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(dǎo)體的壓阻式傳感器，廣泛用于壓力測(cè)量。相對(duì)于金屬箔傳感器，壓阻式傳感器靈敏度更高，線性度也更好，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(yīng)力計(jì)在受到外力時(shí)都會(huì)改變電阻值。因此，有電信號(hào)激勵(lì)時(shí)，即可有效地將壓力、重量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。通常在惠斯通電橋(有時(shí)稱為測(cè)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(yīng)力計(jì))，從而產(chǎn)生與壓力或重量對(duì)應(yīng)的差分輸出電壓。

工程師可以設(shè)計(jì)一種能夠滿足多種加載/感應(yīng)系統(tǒng)需求的傳感器模塊。一款成功的設(shè)計(jì)需要包括用于檢測(cè)物理量的傳感器元件和設(shè)計(jì)合理的信號(hào)鏈路。

圖1 加載/感應(yīng)系統(tǒng)的信號(hào)鏈路框圖。

完備的信號(hào)鏈路方案

傳感器信號(hào)鏈路必須能夠處理帶有噪聲的弱信號(hào)。為了準(zhǔn)確測(cè)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(lì)、放大、濾波和采集。有些解決方案可能還要求采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、誤差補(bǔ)償、數(shù)字放大以及用戶可編程操作。

激勵(lì)

具有極低溫漂的高精度、穩(wěn)定的電壓或電流源常常用作傳感器激勵(lì)。傳感器輸出與激勵(lì)源成比例(往往以mV/V表示)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和激勵(lì)電路通常采用一個(gè)公共基準(zhǔn)，或者將激勵(lì)電壓作為ADC的基準(zhǔn)?？梢岳酶郊拥腁DC通道精確測(cè)量激勵(lì)電壓。

傳感器/電橋

信號(hào)鏈路的這部分功能包括應(yīng)力傳感器，它被放置在測(cè)壓元件(惠斯通電橋設(shè)計(jì))部分，如上文中的“概述”部分。

放大和電平轉(zhuǎn)換模擬端(AFE)

有些設(shè)計(jì)中，傳感器輸出電壓范圍非常小，要求分辨率達(dá)到nV級(jí)。這種情況下，在將傳感器輸出信號(hào)送至ADC輸入之前，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。為了防止放大階段引入誤差，需要選擇低失調(diào)電壓(VOS)、低溫漂的低噪聲放大器。惠斯通電橋的缺點(diǎn)是共模電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號(hào)。這意味著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(shù)據(jù)采集之前消除較高的共模電壓。此外，由于信號(hào)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(wěn)定放大器。使用分辨率非常高的ADC，占用滿量程范圍的一小部分有助于降低對(duì)放大器的苛刻要求。

采集-ADC

選擇ADC時(shí)需嚴(yán)格確認(rèn)其技術(shù)指標(biāo)，例如：無(wú)噪聲范圍或有效分辨率，該指標(biāo)表示ADC能夠辨別固定輸入電平的能力。一種替代指標(biāo)是無(wú)噪聲計(jì)數(shù)或編碼。大多數(shù)高精度ADC的數(shù)據(jù)資料把這些指標(biāo)表示為噪聲峰值或RMS 噪聲與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，有時(shí)也以噪聲直方圖的形式表示這些指標(biāo)。

其它需要考慮的ADC指標(biāo)包括：低失調(diào)誤差、低溫漂及優(yōu)異的線性度。對(duì)于特定的低功耗應(yīng)用，速度與功耗的關(guān)系也是非常重要的規(guī)格。

濾波

傳感器信號(hào)的帶寬一般很窄，對(duì)噪聲的敏感度較高。因此，通過(guò)濾波限制信號(hào)的帶寬可顯著降低總體噪聲。利用Σ-Δ ADC能夠簡(jiǎn)化噪聲濾波要求，因?yàn)檫@種架構(gòu)提供固有的過(guò)采樣特性。

數(shù)字信號(hào)處理(DSP)-數(shù)字域

除模擬信號(hào)調(diào)理外，為了提取信號(hào)并降低噪聲，還需要在數(shù)字域?qū)λ杉男盘?hào)作進(jìn)一步處理。通常需要找到針對(duì)具體應(yīng)用及其細(xì)微差別的算法。有些通用算法，例如，數(shù)字域的失調(diào)和增益校準(zhǔn)、線性化處理、數(shù)字濾波和基于溫度(或其它制約因素)的補(bǔ)償。

信號(hào)調(diào)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，通常稱為傳感器信號(hào)調(diào)理器IC。信號(hào)調(diào)理器是一種專用IC (ASIC)，它對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償、放大和校準(zhǔn)，能夠覆蓋較寬的溫度范圍。根據(jù)對(duì)信號(hào)調(diào)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(lì)電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、可編程增益放大器(PGA)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、存儲(chǔ)器、多路復(fù)用器(MUX)、CPU、溫度傳感器以及數(shù)字接口。

常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)理器有兩種類型：模擬信號(hào)通路的調(diào)理器(模擬調(diào)理器)和數(shù)字信號(hào)通路的調(diào)理器(數(shù)字調(diào)理器)。模擬調(diào)理器的響應(yīng)時(shí)間較快，提供連續(xù)的輸出信號(hào)，反映輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)變化。它們通常采用硬件補(bǔ)償機(jī)制(不夠靈活)。數(shù)字調(diào)理器往往基于微控制器，由于ADC和DSP算法具有一定的執(zhí)行時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間較慢。應(yīng)該考慮ADC的分辨率，將量化誤差降至最小。數(shù)字信號(hào)調(diào)理器的最大好處是提供靈活的補(bǔ)償算法，可根據(jù)用戶的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。

溫度檢測(cè)