傳感器信號(hào)通道設(shè)計(jì)

電流、光信號(hào)及接近檢測

概述

電流檢測對(duì)于很多應(yīng)用都十分關(guān)鍵，有兩種常見的測量方法。

1.一種方法通常用于大電流檢測，往往用來監(jiān)測電源。典型應(yīng)用包括：短路檢測、瞬態(tài)檢測以及電池反接檢測。

2.電流檢測還用于那些需要檢測弱電流(低至微安級(jí))的系統(tǒng)，例如：光照下能夠產(chǎn)生極小電流的光敏二極管。典型應(yīng)用包括環(huán)境光檢測、接近檢測以及基于光吸收/發(fā)射的化學(xué)過程監(jiān)測。

這些電流檢測技術(shù)都使用了電流檢測放大器(具有多種配置)或互阻放大器(TIA)。以下分別討論各種類型的電流檢測放大器。

采用電流檢測放大器檢測電流

測量電流的技術(shù)有多種，但截至目前為止，最常見的是利用檢流電阻進(jìn)行測量。這種方法的基本原理是利用基于運(yùn)放的差分增益級(jí)對(duì)檢流電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，然后測量放大后的電壓。雖然可以利用分立元件搭建放大電路，但集成電流檢測放大器相對(duì)于分立設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)：極小的溫漂、占用極小的印制板(PCB)面積，而且能夠處理較寬的共模范圍。

多數(shù)電流檢測設(shè)計(jì)采用低邊或高邊檢測。在低邊檢測中，檢流電阻與地通路相串聯(lián)。電路只需處理較低的輸入共模電壓，輸出電壓以地為參考。但是，低邊檢流電阻在接地通路增加了所不希望的電阻。高邊檢測中，檢流電阻與正電源電壓相串聯(lián)。此時(shí)負(fù)載的一端接地，但高邊電阻必須承受相對(duì)較大的共模信號(hào)。

圖7 電流檢測信號(hào)鏈路框圖

Maxim的高邊電流檢測放大器把檢流電阻連接到電源的正端和被監(jiān)測電路的電源輸入之間。這種設(shè)計(jì)避免了接地通道的外接電阻，大大簡化電路布局，有助于改善電路的總體性能。Maxim提供的單向和雙電流檢測IC有些帶有內(nèi)部檢流電阻，有些采用外部檢流電阻。

利用互阻放大器(TIA)檢測光信號(hào)

第二種常見的電流測量技術(shù)是利用具有極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器，例如TIA，它將電流輸入轉(zhuǎn)換成電壓輸出。這種方法適用于電流非常小、波動(dòng)較大的應(yīng)用，例如光檢測應(yīng)用中光敏二極管產(chǎn)生的信號(hào)。

一個(gè)簡單的光敏二極管就是一個(gè)非常準(zhǔn)確的光檢測傳感器。光檢測可以用于從基于太陽能的電源管理到精密的工業(yè)過程控制等多種不同應(yīng)用。由于給定環(huán)境下，光強(qiáng)的變化范圍很大(例如從20klx到100klx)，寬動(dòng)態(tài)范圍成為光信號(hào)檢測的一項(xiàng)關(guān)鍵要求。MAX9635等集成方案在器件內(nèi)部集成了一個(gè)光敏二極管、放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，動(dòng)態(tài)范圍為0.03lx至130,000lx。

利用光敏二極管進(jìn)行接近檢測

接近檢測的方案有多種，光敏二極管相對(duì)而言能夠提供較高的精度，功耗也更低。光敏二極管受到光照時(shí)，將產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的電流。低輸入噪聲、寬帶 緩沖器將該電流傳遞給系統(tǒng)的其它部分。可以選用低輸入噪聲放大器，例如MAX9945，提供精確的測量結(jié)果。

傳感器通信接口

傳感器通過模擬或數(shù)字技術(shù)傳輸檢測信息。模擬技術(shù)基于電壓或電流環(huán);數(shù)字信息則通過CAN 及其它數(shù)據(jù)接口傳輸。

二進(jìn)制傳感器僅傳輸比特流。通常情況下，被測對(duì)象的“有”、“無”利用邏輯電平表示并進(jìn)行傳輸。此外，當(dāng)一個(gè)對(duì)象(例如閥門中的活塞)達(dá)到預(yù)定的臨界點(diǎn)時(shí)，傳感器能夠檢測到這一信息，然后通過二進(jìn)制接口將信息傳遞給可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)。

由于工業(yè)環(huán)境條件惡劣，傳感器接口必須高度可靠，能夠承受各種誤操作和EMI 。