傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)

提示

· 通常，斬波放大器更適合用于直流或低頻應(yīng)用，而自動(dòng)穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應(yīng)用。

· 兩種很常見的結(jié)構(gòu)分別用兩只和三只運(yùn)放構(gòu)成儀表放大器。

· 能量采集為遠(yuǎn)方的微處理器或發(fā)射機(jī)供電，而不需要局部電源。

· 完整解決方案需要處理傳感器驅(qū)動(dòng)與輸出需求、采樣速率、信號(hào)路徑校準(zhǔn)、性能、傳感器診斷、功耗需求等問題。

· 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在改變信息收集的方式，增加物理世界數(shù)據(jù)的數(shù)量與可獲得性。

很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個(gè)高增益和有精確性能(接近于dc)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。我們?cè)u(píng)估了現(xiàn)代模擬電路所采用最新傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)狀況。

現(xiàn)代傳感器能檢測(cè)許多模擬屬性，如溫度、力、壓力、濕度、流動(dòng)、功率等，并將其轉(zhuǎn)換成一定的電壓、電流、電荷輸出。這些輸出或?yàn)樽栊阅M信號(hào)， 或?yàn)榧償?shù)字信號(hào)， 其大小與對(duì)應(yīng)的環(huán)境激勵(lì)成比例。有些傳感器可自行工作； 還有一些則需要提供電源， 通常是電壓源或電流源形式。很多時(shí)候， 需要對(duì)信號(hào)做單獨(dú)的調(diào)節(jié)或合并， 才能提供有用的電子輸出信號(hào)。本文中，我們來看一些現(xiàn)代模擬電路中用于傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)的最新技術(shù)。隨著對(duì)高精密運(yùn)放需求的不斷增長(zhǎng)，自校準(zhǔn)架構(gòu)也日益普及，這種架構(gòu)可連續(xù)地校準(zhǔn)偏移誤差。Microchip公司首席產(chǎn)品營(yíng)銷工程師Kevin Tretter發(fā)現(xiàn)，很多領(lǐng)先放大器制造商都用“零漂移”來表示任何的連續(xù)自校準(zhǔn)架構(gòu)，無論是自動(dòng)穩(wěn)零結(jié)構(gòu)，還是斬波穩(wěn)零結(jié)構(gòu)。通常，斬波放大器更適合用于dc或低頻應(yīng)用，而自動(dòng)穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應(yīng)用。

Tretter指出，用于零漂信號(hào)調(diào)節(jié)的自動(dòng)穩(wěn)零架構(gòu)包括一個(gè)主放大器和次放大器，主放大器永遠(yuǎn)連到輸入端，而次放大器則不斷修正它們自己的偏移，并將偏移修正值應(yīng)用于主放大器。Microchip公司已在MCP6V01上實(shí)現(xiàn)了這種類型的架構(gòu)，其主放大器偏移誤差的修正速度為1萬次/s，從而獲得了Microchip稱之為極低的偏移和失調(diào)漂移。

斬波穩(wěn)零架構(gòu)也使用一只永遠(yuǎn)與輸入端相連的大帶寬主放大器， 另外有一個(gè)“ 輔助” 放大器， 它使用開關(guān)來斬?cái)噍斎胄盘?hào)， 為主放大器提供偏移校正。例如，Microchip的MCP6V11小功率放大器通過斬波動(dòng)作最大限度地減少了偏移以及偏移相關(guān)的誤差。

雖然內(nèi)部工作方式不同，但自動(dòng)穩(wěn)零和斬波穩(wěn)零放大器都有相同的目標(biāo)： 盡量減小偏移以及偏移相關(guān)的誤差。結(jié)果不僅獲得了低的初始偏移， 而且在各個(gè)時(shí)間和溫度下也有低的失調(diào)漂移、極好的共模抑制與電源抑制，并消除了1/f ( 頻率相關(guān))噪聲。

斬波架構(gòu)

Analog Devices公司應(yīng)用工程經(jīng)理Reza Moghimi指出，很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個(gè)高增益和有精確性能(接近于dc)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。這些傳感器的應(yīng)用包括精密電子秤、測(cè)壓元件與橋式換能器、熱電偶/溫差電堆傳感器的接口，以及精密醫(yī)療儀器。

用于這些傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)的是非精密放大器， 它們的偏移電壓、失調(diào)漂移電壓， 以及1 / f 噪聲都會(huì)造成誤差， 需要軟件或硬件的校正。Moghimi提供了一個(gè)采用零漂放大器做高精度信號(hào)調(diào)節(jié)的實(shí)例。該放大器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超低偏移電壓與漂移、高開環(huán)增益、高電源抑制比、高共模抑制能力，且無1/f噪聲，設(shè)計(jì)人員獲得了無需校正的便利。

圖1中的電路是一個(gè)單電源精密電子秤， 它使用了AD7791 ，這是一款小功率帶緩沖的24 位Σ - ΔADC ， 還有一只外接的ADA4528- x 零漂放大器。電路已經(jīng)過了ADI的建立與測(cè)試，具體說明見參考文獻(xiàn)1， 在10 mV滿量程輸出下，對(duì)一個(gè)測(cè)重元件可產(chǎn)生15.3 位的無噪聲編碼分辨率， 并在從9.5Hz~120Hz的整個(gè)輸出數(shù)據(jù)區(qū)間上都能保持良好的性能。

電路中的差分放大器包括兩只低噪聲零漂ADA 4528 放大器，它具有1kHz 時(shí)5. 6nV/電壓噪聲密度，0.3μV偏移電壓，0.002μV /失調(diào)電壓漂移，以及分別為158dB和150dB的共模抑制與電源抑制。電路增益等于1+2R1/RG，電容C1、C2與電阻R1、R2并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的低通濾波器將噪聲帶寬限制到4.3Hz，阻止了進(jìn)入Σ - Δ ADC 的噪聲量。C5、R3和R4構(gòu)成一個(gè)截止頻率為8Hz 的差分濾波器， 用于進(jìn)一步限制噪聲。C3 、C4 與R3 、R4共同構(gòu)成截止頻率為159Hz的共模濾波器。

另一個(gè)高精度小功率信號(hào)調(diào)節(jié)的例子是圖2中給出的心電圖電路，也在參考文獻(xiàn)2中有說明。ECG電路必須工作在一個(gè)差分dc偏移下，因?yàn)殡姌O有半電池電勢(shì)。這個(gè)過壓的容限通常是±300 mV，但在有些情況下可以為1V或更高。ECG電路中有電源電壓的下降趨勢(shì)及存在這個(gè)較高半電池電勢(shì)，限制了可以加在第一級(jí)信號(hào)調(diào)節(jié)上的增益。

AD8237架構(gòu)解決這一問題的方法是，從輸出端到REF管腳接一個(gè)低頻反相積分器，其擺幅最多為dc偏移，而不是dc偏移與增益的乘積。由于放大器增益加在積分器輸出端，放大級(jí)可以施加高增益，并降低對(duì)系統(tǒng)其余部分的精度要求。這級(jí)放大之后信號(hào)路徑中器件的噪聲與偏移誤差對(duì)整體精度幾乎沒有貢獻(xiàn)。AD8607雙微功耗儀表運(yùn)放用于積分、緩沖與電平轉(zhuǎn)換，電源電流為115μA。圖中未顯示應(yīng)有的去耦部分。

零漂軌至軌輸入與輸出儀表放大器可以工作在最小1.8V 電源電壓， 增益漂移為0.5 ppm / ，而失調(diào)漂移電壓為0.2 μV / 。兩只外接電阻可在1 ~1000 區(qū)間內(nèi)設(shè)定增益值。AD 8607 可以滿幅放大共模電壓等于或超出300 mV電源電壓的信號(hào)。

應(yīng)用

Microchip公司的Tretter指出，當(dāng)斬波穩(wěn)零放大器首次進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，它們具有大開關(guān)電流與布局敏感的特性， 使之既難使用成本又高。因此設(shè)計(jì)者將其局限用于那些性能非常關(guān)鍵的應(yīng)用。自那以后， 工藝技術(shù)與硅設(shè)計(jì)的發(fā)展改善了零漂放大器的可用性， 從而在廣泛的應(yīng)用中找到了用武之地， 包括醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)流量?jī)x表、萬用表、高端稱重計(jì)， 甚至游戲機(jī)等。很多傳感器通常都排列成一種Wheatstone橋結(jié)構(gòu)，如應(yīng)力規(guī)、RTD(電阻溫度檢測(cè)器)和壓力傳感器(圖3)，因?yàn)檫@種電路類型提供了出色的靈敏度。即使在一個(gè)Wheatstone橋結(jié)構(gòu)中使用了多只傳感器， 輸出電壓的總變化也相對(duì)較小，通常在毫伏區(qū)間。由于信號(hào)幅度小，一般需要一個(gè)增益級(jí)，然后再通過ADC將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。Tretter稱，零漂放大器是這類應(yīng)用的一個(gè)上佳選擇，因?yàn)樗懈咴鲆婧妥畹偷脑肼暋?/p>

IA設(shè)計(jì)考慮

Touchstone半導(dǎo)體公司營(yíng)銷與應(yīng)用副總裁Adolfo A Garcia指出，當(dāng)電源電壓低(<3V)，并且可選自完備IA(儀表放大器)有限時(shí)，設(shè)計(jì)自己的IA最為簡(jiǎn)單直接，只需要了解運(yùn)放的輸入輸出dc特性與電路結(jié)構(gòu)。構(gòu)建儀表運(yùn)放有兩種很常見的結(jié)構(gòu)，分別采用兩只和三只運(yùn)放。

圖4給出了兩種運(yùn)放結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用單電源軌至軌的小功率運(yùn)放時(shí)，主要的選擇考慮(根據(jù)應(yīng)用情況)包括：dc特性，如VOS、TCVOS、AVOL(MIN)、IOS、VOH(MIN)和VOL(MAX)，以及ac特性，如放大器輸入相關(guān)噪聲與帶寬。最大輸出動(dòng)態(tài)范圍與應(yīng)用無關(guān)，是實(shí)現(xiàn)最高電路性能的關(guān)鍵。據(jù)Garcia稱，輸出級(jí)能提供最寬動(dòng)態(tài)范圍的單電源運(yùn)放是最佳選擇，因?yàn)楸苊饬朔糯笃鬏敵黾?jí)飽和問題。

注意圖4電路傳輸方程中的基準(zhǔn)電壓項(xiàng)(VREF)。為避免AMP1的輸出飽和，儀表放大器的輸出信號(hào)的測(cè)量必須針對(duì)VREF。在一個(gè)3 V (或更低電壓)的系統(tǒng)中，如要電路有最大的動(dòng)態(tài)范圍，并避免輸出級(jí)的飽和問題，只要簡(jiǎn)單地將VREF設(shè)為電源的一半就足夠了。不過Garcia發(fā)現(xiàn)，只有所選運(yùn)放的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格相對(duì)其電源數(shù)據(jù)對(duì)稱時(shí)，這個(gè)方法才是有效的。

在式2中，是IA電路上所加的最大差分輸入電壓。如果所需增益是一個(gè)已知的電路參數(shù)，則可以重新排列式中的相應(yīng)項(xiàng)，以確定為防止輸出級(jí)飽和而能給電路施加的最大輸入差分電壓。

為了以最小功率運(yùn)行，電路中使用的電阻應(yīng)為100kΩ或更大，具體要看噪聲和帶寬設(shè)計(jì)方面的考慮。另外要指出的是，運(yùn)放的VOH(MIN)和VOL(MAX)電壓規(guī)格很大程度上由放大器輸出級(jí)負(fù)載所決定，因此要注意負(fù)載電阻的情況。

有一個(gè)實(shí)際例子，選擇的是一只TS1002 雙0.6μA運(yùn)放，構(gòu)造了一個(gè)增益為10的雙運(yùn)放IA，它的工作電源為2.5V。TS1002在100kΩ負(fù)載下的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格分別為2.498V和0.001V 。使用式1， VREF等于(2.498V+ 0.001V)/2=1.249V，輸出級(jí)被偏置在最大輸出動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，避免了輸出級(jí)飽和。在上述增益10情況下，為避免輸出級(jí)飽和而施加的最大差分輸入電壓為：(2.498V+0.001V)/(2×10)，約125mV。

對(duì)三運(yùn)放I A 結(jié)構(gòu)可以做一個(gè)類似的分析( 圖5) 。同樣， 省略對(duì)三運(yùn)放IA以及前述項(xiàng)的嚴(yán)謹(jǐn)全電路分析，雙運(yùn)放IA的結(jié)果也很好地適用在這里，即，為獲得最大動(dòng)態(tài)范圍，輸出基準(zhǔn)電壓要設(shè)定在AMP1和AMP2的輸出電壓擺幅的中間(式1)。

電路增益的表達(dá)式與雙運(yùn)放IA形式相同(式2)。測(cè)得的電路輸出電壓是針對(duì)VREF，VREF設(shè)計(jì)在AMP1 和AMP2的輸出電壓擺幅中間；而可以加給三運(yùn)放IA的最大差分輸入電壓則由式2決定。

另一個(gè)實(shí)際例子中，設(shè)計(jì)者采用了一只Touchstone半導(dǎo)體公司的TS10040.6μA四運(yùn)放，搭建一個(gè)2.5V電源、增益為50的三運(yùn)放IA。從TS1004的數(shù)據(jù)表中可查到其在100kΩ負(fù)載時(shí)的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格分別為2.498V和0.001V。用式1，輸出級(jí)由一個(gè)為(2.498V+0.001V)/2=1.249V的VREF偏置， 以獲得最大輸出動(dòng)態(tài)范圍， 避免輸出級(jí)的飽和。在所述50 增益時(shí)， 為避免輸出級(jí)飽和而能夠施加的最大差分輸入電壓為( 2.498V + 0.001V )/( 2×50 )，約25mV。

能量采集

凌利爾特公司電源產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)TonyArmstrong描述了用可再生能源為遠(yuǎn)程無線結(jié)點(diǎn)供電的情況，只要有正確的采集、電源管理與電池充電設(shè)備，就可以高效地獲得能源(見附文：“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集更多真實(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)于更多公用事業(yè)設(shè)施”)?？稍偕茉凑跒槟茉崔D(zhuǎn)換和現(xiàn)有能源的更高效使用提供廣泛的機(jī)會(huì)，也為能源采集器件提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，幫助為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供電能。這些無線傳感器已普遍用于樓宇自動(dòng)化和前瞻性維護(hù)應(yīng)用。

Armstrong指出，能源采集的傳統(tǒng)方式是通過太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但新出現(xiàn)的能源采集工具能夠從各種環(huán)境源中產(chǎn)生電能。例如，熱電發(fā)電機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為電能，壓電元件轉(zhuǎn)換機(jī)械振動(dòng)，光伏電池轉(zhuǎn)換太陽光(或任何光子源)，而電化法是從濕度獲得能量。這樣就能夠?yàn)檫h(yuǎn)處的傳感器提供電源，或?yàn)槟撤N存儲(chǔ)設(shè)備充電，如電容或薄膜電池。于是，遠(yuǎn)方地點(diǎn)的微處理器或發(fā)射器就有電能供應(yīng)，而無需在當(dāng)?shù)卦O(shè)立電源。

凌利爾特公司的能源采集產(chǎn)品提供了各種解決方案(表1)。各系列產(chǎn)品的規(guī)格各不相同，但該公司大力宣傳的是小于6μA、最低可至450nA的典型靜態(tài)電流，起動(dòng)電壓低至20mV，輸入電壓能夠達(dá)到連續(xù)34V，40V瞬態(tài)，還能處理交流輸入，具有多輸出能力和自動(dòng)的系統(tǒng)電源管理功能，自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換，對(duì)太陽能輸入的最高功率點(diǎn)控制，可從小到1度溫差中獲取能源的能力，以及緊湊的解決方案體積。

由于太陽能的功率是變化不定的，幾乎所有太陽能供電設(shè)備都要使用可充電電池。顯然，其目標(biāo)是獲得盡可能多的太陽能源，為這些電池快速充電，以維持它們的充電狀態(tài)。

雖然太陽能電池天生就是轉(zhuǎn)換效率低的設(shè)備，但它們也有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，因此在這個(gè)點(diǎn)上工作就是一個(gè)明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)。Armstrong發(fā)現(xiàn)，問題是最大輸出功率的IV特性會(huì)隨光照而改變。單晶硅太陽能電池的輸出電流與光強(qiáng)度成正比，而在最大功率輸出時(shí)的電壓卻相對(duì)恒定。確定光強(qiáng)度下的最大功率輸出發(fā)生在每個(gè)曲線的拐點(diǎn)處，此時(shí)，太陽電池從一個(gè)恒壓設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)恒流設(shè)備(圖6)。

因此，一個(gè)能從太陽能板高效獲得能量的充電器設(shè)計(jì)，必須能在光照水平無法滿足充電器滿功率需求時(shí)，將太陽能板的輸出電壓控制在最大功率點(diǎn)。凌利爾特公司針對(duì)太陽能應(yīng)用的LT3652多化學(xué)種類2A電池充電器采用了一個(gè)輸入穩(wěn)壓回路，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)輸入電壓跌到一個(gè)預(yù)設(shè)的電平以下時(shí)，會(huì)減小充電電流。當(dāng)用太陽能板供電時(shí)，輸入穩(wěn)壓回路可將太陽能板維持在接近峰值輸出水平。

集成的AFE方案

完整的傳感器解決方案需要解決傳感器驅(qū)動(dòng)與輸出需求、采樣速率、信號(hào)路徑校正、性能、傳感器診斷，以及功耗需求等問題。簡(jiǎn)化開發(fā)周期以及減少開發(fā)時(shí)間，可能意味著更快地進(jìn)入市場(chǎng)，每年做出更多的設(shè)計(jì)。不過， 大多數(shù)現(xiàn)行方案只解決了其中少數(shù)問題， 用分立元件開發(fā)既耗時(shí)又復(fù)雜。

德州儀器公司的可配置傳感器AFE ( 模擬前端) IC 與WebenchSensor AFE Designer是一個(gè)集成化軟硬件開發(fā)平臺(tái)的組成部分，工程師可以用它來選擇傳感器， 設(shè)計(jì)并配置解決方案， 然后幾分鐘之內(nèi)就能下載配置。工程師可以在線或在工作臺(tái)上立即評(píng)估整個(gè)信號(hào)路徑解決方案。

在食品加工、水質(zhì)量管理以及化學(xué)處理等行業(yè)的精確pH值測(cè)量中面臨著一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)， 包括極端溫度變化、高輸出阻抗、偏移以及漂移等。TI稱它的LMP91200可配置AFE提供了一個(gè)集成pH傳感器的AFE電路，可與所有現(xiàn)有pH傳感器連接，是傳感器與微處理器之間的橋梁( 圖7)，它以一個(gè)集成化的小尺寸解決了這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

另外， TI 的LMP91050NDIR( 非分光紅外) 氣體檢測(cè)AFE 也支持多個(gè)溫差電堆傳感器，用于NDIR檢測(cè)、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、按需控制的通風(fēng)、HVAC、飲酒呼氣分析、溫室氣體監(jiān)測(cè)， 以及氟里昂檢測(cè)等(圖8)。

附文：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集更多真實(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)于更多公用事業(yè)設(shè)施

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( WSN )正在改變信息收集的方式，使我們更容易從現(xiàn)實(shí)世界獲取更多的數(shù)據(jù)。部署一個(gè)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本通常是傳感器本身成本的10~10 0 倍。據(jù)凌利爾特公司塵埃網(wǎng)產(chǎn)品部集團(tuán)總裁Joy Weiss稱，WSN的實(shí)際價(jià)值在于，你可以把一只傳感器放到任何地方，不僅是已經(jīng)有電源線和通信線路的地方，還包括任何想要測(cè)量或?yàn)橐粋€(gè)系統(tǒng)增加控制點(diǎn)的地方。

Weiss舉了下面這些因WSN而實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用例子：

Vigilent根據(jù)其M3閉路控制技術(shù)，提供智能能源管理系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)中心、電信公司以及大型商用建筑。為了收集整個(gè)數(shù)據(jù)中心必要的溫度和濕度數(shù)據(jù)，傳感器要做廣泛和高密度的分布。然而，對(duì)數(shù)據(jù)中心來說，對(duì)通信布線和電源布線做翻新是不現(xiàn)實(shí)的，成本高昂。Vigilent采用無線傳感器結(jié)點(diǎn)解決了這些問題。Vigilent為自己的產(chǎn)品選擇了凌利爾特公司的DustNetworks SmartMesh解決方案，認(rèn)為它是低功耗、高可靠性和強(qiáng)大安全性的關(guān)鍵成功要素。

Emerson Process Management幫助實(shí)現(xiàn)化學(xué)品、油氣、煉油、紙漿造紙、電力、水與廢水處理、金屬采礦、食品飲料、生命科學(xué)以及其它行業(yè)的生產(chǎn)、加工和配送的自動(dòng)化。Emerson的Smart Wireless產(chǎn)品與解決方案基于IEC 62591無線標(biāo)準(zhǔn)，采用了凌利爾特/Dust的SmartMeshWirelessHART產(chǎn)品，擴(kuò)展了預(yù)測(cè)智能，超出了以前的物理與經(jīng)濟(jì)性范圍。

Streetline為城市、車庫、機(jī)場(chǎng)、大學(xué)以及其它泊車商提供智能泊車解決方案(如圖所示)，目標(biāo)是通過采用傳感器的移動(dòng)與Web應(yīng)用，使智能城市成為現(xiàn)實(shí)。Streetline需要一個(gè)足夠強(qiáng)健的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，它能在嚴(yán)酷和動(dòng)態(tài)變化的街面情況下工作，街道可能既廣又密，可能數(shù)年時(shí)間不能更換電池。Streetline的智能泊車解決方案在一個(gè)覆蓋整個(gè)好萊塢/洛杉磯區(qū)的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中采用了凌利爾特/Dust的SmartMesh技術(shù)。人行道里預(yù)埋的無線傳感器可跟蹤空出來的泊車位,然后將信息以無線方式發(fā)送給智能手機(jī)用戶。