傳感器信號(hào)通道設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)指南闡述了常見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)檢測以及接近檢測。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)測領(lǐng)域，通常需要監(jiān)測、測量壓力和重量。由于壓力可直接用來測量流體、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(xiàng)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(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))的測量方法和技術(shù)有許多，但最常用的測量裝置是應(yīng)力計(jì)。

最常見的應(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?；菟雇姌虻娜秉c(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能夠簡化噪聲濾波要求，因?yàn)檫@種架構(gòu)提供固有的過采樣特性。

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

概述

溫度檢測在工業(yè)系統(tǒng)中的主要作用表現(xiàn)在三個(gè)方面。

1.溫度控制，例如恒溫爐、冷凍箱和環(huán)境控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)測溫度判斷實(shí)施加熱/致冷操作。

2.校準(zhǔn)各種傳感器、振蕩器及其它經(jīng)常隨溫度變化的元件。由此，必須通過測量溫度確保敏感系統(tǒng)元件的精度。

3.保護(hù)元件和系統(tǒng)在極端溫度下不被損壞。溫度檢測決定所要采取的相應(yīng)措施。

熱敏電阻、RTD、熱電偶和IC是目前應(yīng)用最廣的溫度檢測技術(shù)。每種設(shè)計(jì)方案都有其自身的優(yōu)勢(例如成本、精度、測溫范圍)，適合不同的特定應(yīng)用。以下將逐一討論這些技術(shù)。

除提供業(yè)內(nèi)最全面的專用溫度傳感器IC外，Maxim還推出了系統(tǒng)與熱敏電阻、RTD及熱電偶接口所需的任何器件。

圖2 溫度檢測應(yīng)用的信號(hào)鏈路框圖。

熱敏電阻

熱敏電阻的阻值取決于溫度，一般由半導(dǎo)體材料制成，如金屬氧化物陶瓷或聚合物。應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)電阻，因此，熱敏電阻通常稱為NTC。同樣，也存在正溫度系數(shù)的熱敏電阻(PTC)。

熱敏電阻能夠測量中等溫度范圍，通常最高可達(dá)+150°C，有些熱敏電阻可以測量更高溫度;根據(jù)精度的不同，成本一般在中、低端;線性度雖然較差，但可預(yù)測。熱敏電阻可以是探頭、表貼封裝、裸線等不同形式的專用封裝。Maxim提供能夠?qū)崦綦娮枳柚缔D(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的IC，如MAX6682。

熱敏電阻往往連接一個(gè)或多個(gè)固定阻值電阻，形成分壓器。分壓器輸出通常經(jīng)過ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。利用查找表或通過計(jì)算對(duì)熱敏電阻的非線性進(jìn)行修正。

RTD

電阻溫度檢測器(RTD)是一種阻值隨溫度變化的電阻。鉑是最常見、精度最高的金屬絲材料。鉑RTD稱為Pt-RTD，鎳、銅及其它金屬亦可用來制造RTD。

RTD具有較寬的測溫范圍，最高達(dá)+750°C，具有較高精度和較好的可重復(fù)性，線性度適中。對(duì)于Pt-RTD，最常見的電阻值為：0°C時(shí)，標(biāo)稱值為100Ω或1kΩ，當(dāng)然也有其它電阻值。

RTD的信號(hào)調(diào)理可以非常簡單：將RTD與一個(gè)精密的固定阻值電阻相連，構(gòu)成分壓器;也可以采用更復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理，尤其是在寬溫測量中。方案中通常包括：精密電流源、電壓基準(zhǔn)和高分辨率ADC，如圖3所示。利用查找表或通過計(jì)算、外部線性化處理電路對(duì)傳感器進(jìn)行線性化調(diào)整。

圖3 RTD信號(hào)調(diào)理電路簡化圖

熱電偶

熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。金屬絲之間的觸點(diǎn)所產(chǎn)生的電壓與溫度近似成比例關(guān)系。有幾種類型的熱電偶分別以字母表示。最常見的熱電偶為K型熱電偶。

熱電偶具有非常寬的測溫范圍，高達(dá)+1800°C;成本很低，具體成本與封裝有關(guān);具有較低的輸出電壓，K型熱電偶的輸出大約為40?V/°C;線性度適中，并可提供適當(dāng)?shù)膹?fù)雜信號(hào)調(diào)理，即冷端補(bǔ)償和放大。

由于熱電偶輸出信號(hào)較低，利用熱電偶測量溫度具有一定難度。由于熱電偶金屬絲連接到信號(hào)調(diào)理電路的銅線(或引線)時(shí)，在觸點(diǎn)位置又會(huì)產(chǎn)生額外的熱電偶，進(jìn)一步加劇了測量的復(fù)雜性。該觸點(diǎn)稱為冷端(圖4所示)。為了利用熱電偶準(zhǔn)確測量溫度，必須在冷端位置增加第二個(gè)溫度傳感器，如圖5所示。然后將冷端測量溫度與熱電偶測量值相疊加。圖5所示電路是一種實(shí)施方案，其中包括多款精密元件。

圖4 熱電偶電路簡化圖

金屬1和金屬2之間的結(jié)為主熱電偶結(jié)。金屬1和金屬2與測量裝置銅線或印制板(PCB)引線的接觸位置形成了額外的熱電偶。

除圖5所示所有元件外，Maxim還提供用于K型熱電偶信號(hào)調(diào)理的器件MAX6*。這些器件簡化了設(shè)計(jì)任務(wù)，并顯著降低對(duì)熱電偶輸出放大、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化處理的元件數(shù)量。

圖5 熱電偶信號(hào)調(diào)理電路示例

溫度傳感器IC

溫度傳感器IC充分利用了硅PN結(jié)所具備的線性度和預(yù)知的溫度特性等優(yōu)勢。由于這些IC都是采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝制成的有源電路，可提供各種外形封裝。這些器件具備許多功能，例如：數(shù)字接口、ADC輸入、風(fēng)扇控制等，這是其它技術(shù)無法提供的。溫度傳感器IC的工作溫度范圍可低至-55°C、高達(dá)+125°C，部分產(chǎn)品的溫度上限可以達(dá)到+150°C左右。以下介紹了常見的溫度傳感器IC。

模擬溫度傳感器

模擬溫度傳感器IC將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，有些情況下則轉(zhuǎn)換成電流。最簡單的電壓輸出模擬溫度傳感器只有三個(gè)有效端：地、電源輸入和信號(hào)輸出。其它具有增強(qiáng)功能的模擬傳感器提供更多的輸入或輸出，例如比較器 或電壓基準(zhǔn)輸出。

模擬溫度傳感器利用雙極型晶體管的溫度特性產(chǎn)生與溫度成比例的輸出電壓。對(duì)這一電壓信號(hào)進(jìn)行放大并施加一定的偏置，可以使傳感器輸出電壓與管芯溫度形成適當(dāng)?shù)淖兓P(guān)系，獲得較高的溫度測量精度。例如，DS600業(yè)內(nèi)精度最高的模擬溫度傳感器，在-20°C至+100°C溫度范圍內(nèi)保證誤差小于±0.5°C。

本地?cái)?shù)字溫度傳感器

將模擬溫度傳感器與ADC集成在一起即可形成直接輸出數(shù)字信號(hào)的溫度傳感器。這種器件通常稱為數(shù)字溫度傳感器或本地?cái)?shù)字溫度傳感器。“本地”表示傳感器測量的是自身溫度。這種工作方式相對(duì)于遠(yuǎn)端傳感器，后者用于測量外部IC或分立晶體管的溫度。

基本的數(shù)字溫度傳感器只是簡單地測量溫度，溫度數(shù)據(jù)通過各種特定接口讀取，接口類型包括：1-Wire?、I?C、PWM 和3線。復(fù)雜的數(shù)字傳感器具備更多功能，例如：高溫/低溫報(bào)警輸出、設(shè)置觸發(fā)門限的寄存器及EEPROM等。Maxim提供多款本地?cái)?shù)字溫度傳感器，包括DS7505和DS18B20，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保證±0.5°C的精度。

遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器

遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器又稱為遠(yuǎn)端傳感器或二極管溫度傳感器。遠(yuǎn)端傳感器用于測量外部晶體管的溫度，可以采用分立晶體管，也可以采用集成在另一IC內(nèi)部的晶體管，如圖4所示。微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)及ASIC往往包含一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器，通常稱為溫度二極管，與圖6所示類似。

圖6 利用遠(yuǎn)端溫度傳感器MAX 6642監(jiān)測外部IC管芯的晶體管(或溫度二極管)溫度

遠(yuǎn)端溫度傳感器具有一個(gè)重要優(yōu)勢：可以利用單片IC監(jiān)測多點(diǎn)溫度。一個(gè)基本的單芯片遠(yuǎn)端傳感器，例如，圖4中的MAX 6642，可以監(jiān)測兩個(gè)溫度：自身溫度和外部溫度。外部位置可以是目標(biāo)IC的管芯，如圖4所示，也可以是被監(jiān)測電路板的某個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)(采用分立式晶體管)。有些遠(yuǎn)端傳感器可以監(jiān)測最多7個(gè)位置的外部溫度。這樣的話，包括IC和電路板的溫度監(jiān)測點(diǎn)在內(nèi)，單芯片能夠監(jiān)測多達(dá)8個(gè)位置。以MAX6602 為例，該溫度傳感器具有4路遠(yuǎn)端二極管輸入，能夠監(jiān)測1對(duì)集成溫度二極管的FPGA、2個(gè)電路板的溫度監(jiān)測點(diǎn)(采用分立晶體管)以及MAX6602所在位置的電路板溫度。MAX6602和MAX 6642 在測量外部溫度二極管時(shí)都能達(dá)到±1°C的精度。

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：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?？梢赃x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 。