傳感器測量各種不同的模擬現(xiàn)象

今天傳感器無處不在。我們的智能手機(jī)和平板電腦都裝有它們。我們的汽車有溫度傳感器、圖像傳感器和壓力傳感器。我們的家庭環(huán)境變得越來越精明。

傳感器測量各種不同的模擬現(xiàn)象：

我們手機(jī)上關(guān)閉顯示屏的接近傳感器

調(diào)節(jié)背光的光傳感器

通過我們城市管道的空氣、化學(xué)品和水流量傳感器

煉油廠的化學(xué)傳感器

當(dāng)?shù)匚⑿推【茝S的溫度、液位和其他環(huán)境傳感器

傳感器輸出模擬值后，下一步是將信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用格式。什么樣的信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換最好？本文著眼于這些問題。

對于上述所有傳感器，模擬信號(hào)可能會(huì)有很大差異。一些傳感器，例如 pH/化學(xué)傳感器，提供高阻抗輸出。許多其他信號(hào)提供非常低電平的信號(hào)，很難從噪聲中提取真實(shí)信息。而其他的，例如熱電偶，會(huì)產(chǎn)生非線性信號(hào)，并且每種類型都不同。

低電平電壓信號(hào)

壓力是世界上監(jiān)測較多的信號(hào)之一。帶有惠斯通電橋的壓力傳感器用于工業(yè)應(yīng)用。例如，雜貨店的壓力傳感器稱量午餐肉，但它們也可用于倉庫傳送帶內(nèi)的動(dòng)態(tài)秤，這對高精度和寬動(dòng)態(tài)范圍至關(guān)重要。

圖 1 顯示了橋式傳感器的一個(gè)示例，其中在 +Vout 和 -Vout 之間產(chǎn)生了一個(gè)輸出電壓，該電壓取決于激勵(lì)電壓差和對可變電阻器的影響。橋式傳感器通常輸出幾毫伏量級的電壓。典型的壓縮范圍為 1,000:1，其中 1V 的總激勵(lì)電壓差會(huì)在兩個(gè)輸出之間產(chǎn)生 1mV 的最大值。可以增加激勵(lì)電壓，但會(huì)消耗更多功率。?

圖 1：惠斯通電橋根據(jù)勵(lì)磁電壓和抗壓抗拉力提供輸出。

1 mV 的最大范圍不能提供非常大的動(dòng)態(tài)范圍來從本底噪聲中獲取感興趣的信號(hào)，本底噪聲通常低至幾微伏或幾十微伏。所有橋式傳感器后面都將有一個(gè)放大器或可編程增益放大器 (PGA)。這通常會(huì)跟隨一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。大多數(shù) A/D 提供 3 V 或 5 V 的最大輸入范圍，因此您需要將 1 mV 橋式傳感器信號(hào)放大到使用所有（或更多）A/D 可用電壓范圍的信號(hào)。

許多公司提供獨(dú)立的放大器，可配置外部電阻器或數(shù)字電位器以獲得放大器增益。許多還提供可配置 SPI 接口的 PGA。帶有集成 PGA 的 sigma-delta A/D 轉(zhuǎn)換器通常是當(dāng)今的最佳選擇。這些設(shè)備的數(shù)量在過去 10 年中大幅增長。其中許多具有 16 位、20 位或 24 位 A/D 對話，并且集成的 A/D 加 PGA 可實(shí)現(xiàn)盡可能低的噪聲。

我們來看看倉庫輸送帶秤。這些倉庫運(yùn)送貨物的速度越快，其吞吐量和利潤率就越高。能夠在包裹從一個(gè)站點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)站點(diǎn)的同時(shí)動(dòng)態(tài)測量包裹重量變得越來越普遍。由于這些倉庫以各種重量運(yùn)送貨物，因此需要寬動(dòng)態(tài)范圍和低噪音，以及相對較快的采樣率。

該電路的一個(gè)示例 IC 是 MAX11270，它提供了采樣率、寬動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲的良好組合。其最大采樣率為 64 ks/s，PGA 的噪聲電平為 6.5 nV/√Hz。該器件可以在 1-ks/s 的采樣率下實(shí)現(xiàn) 21.0 的有效位數(shù) - 或優(yōu)于 200 萬分之一。

高阻抗化學(xué)傳感器

在過程控制等應(yīng)用中，化學(xué)傳感器對于將成分混合保持在正確水平至關(guān)重要。大多數(shù)人很容易想象小型啤酒廠。在釀造過程中，成分的混合對于確保消費(fèi)者獲得可重復(fù)（且令人愉悅）的口味至關(guān)重要。

測量 pH 值的傳感器通常用于此過程控制。它們具有高阻抗電極信號(hào)輸出。需要一個(gè)具有非常小的輸入偏置電流的放大器來將此阻抗信號(hào)轉(zhuǎn)換為更容易測量的信號(hào)。對于化學(xué)傳感器，需要皮安級甚至毫微微安級的輸入偏置電流來降低總誤差。在這里，有必要深入研究數(shù)據(jù)表并確認(rèn)應(yīng)用所需溫度范圍內(nèi)的規(guī)格。

許多低輸入偏置電流運(yùn)算放大器可供選擇。其中之一是 MAX44242。雖然它的輸入偏置電流沒有其他一些 JFET 放大器那么低，但它比標(biāo)準(zhǔn)放大器低幾個(gè)數(shù)量級，對于這種傳感器接口來說是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。圖 2 詳細(xì)說明了器件在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的輸入偏置電流規(guī)格。

圖 2. MAX44242 輸入偏置電流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)最大為 50pA。

Maxim 的教程 717 深入解釋了各種電壓放大器類型的關(guān)鍵放大器規(guī)格，以及溫度對所有這些規(guī)格的影響。

通信和數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)

接下來，讓我們考慮一個(gè)設(shè)計(jì)成基站或數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用程序的復(fù)雜處理器板。這些電路板在每一代都繼續(xù)消耗更高的功率，同時(shí)也試圖擠進(jìn)更小的空間。更高的數(shù)據(jù)速率會(huì)產(chǎn)生更高的功耗和更高的溫度。每一代的測量溫度都變得越來越重要。一些 ASIC 或 FPGA 將具有內(nèi)部溫度傳感器。有些將包括輸出模擬信號(hào)的熱敏二極管。在其他情況下，電路板設(shè)計(jì)人員將在大功率 IC 周圍添加自己的傳感器。

如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要外部溫度傳感器，則有多種選擇，包括具有模擬輸出、數(shù)字輸出或溫度開關(guān)的全緩沖 IC，使接口變得容易。封裝的選擇提供了另一種靈活性。雖然大多數(shù)溫度傳感器采用表面貼裝封裝，例如 SOIC 或 SOT23，但也可以選擇將溫度傳感器從板上取下，以獲得更準(zhǔn)確的空氣溫度讀數(shù)。?

圖 3：電路板設(shè)計(jì)使用帶引線的溫度傳感器來測量進(jìn)氣和排氣之間的溫差。

圖 3 和圖 4 包括一個(gè)帶引線的板外溫度傳感器的示例。示例器件 DS18B20 傳感器采用 3 引腳 TO-92 封裝。在大型處理器、ASIC 或 FPGA 旁邊放置一個(gè)表面貼裝溫度傳感器封裝可能會(huì)導(dǎo)致溫度結(jié)果與電路板上的另一點(diǎn)有很大差異。知道大功率 IC 旁邊的電路板溫度的兩種方法都有爭論，但含鉛封裝會(huì)提供更好的氣流溫度讀數(shù)。PCB 板層中的熱量可能會(huì)扭曲 SMT 設(shè)備的溫度讀數(shù)。許多復(fù)雜的基站和數(shù)據(jù)中心電路板設(shè)計(jì)人員將一個(gè)傳感器放置在空氣輸入端，另一個(gè)放置在氣流輸出端。

圖：4：DS18B20 溫度傳感器只有 3 個(gè)帶 1 線串行輸出的引腳。

　　審核編輯：湯梓紅