傳感器信號(hào)路徑概述

本教程介紹了用于壓力、溫度、電流、光線和接近檢測(cè)的最常用傳感器傳感器類型的傳感器信號(hào)鏈。本文介紹了選擇信號(hào)路徑的復(fù)雜性。示例電路和框圖可幫助讀者選擇一組最佳零件以滿足其設(shè)計(jì)需求。

壓力傳感器和電子秤（力傳感）

概述

檢測(cè)和測(cè)量壓力和重量的需求是現(xiàn)代工業(yè)控制和系統(tǒng)監(jiān)控的一個(gè)非常普遍的要求。壓力測(cè)量尤其重要，因?yàn)樗查g接用于測(cè)量流量、高度和其他屬性。壓力和重量測(cè)量設(shè)備可以被視為“力傳感器”，因?yàn)榱κ怯绊憘鞲衅鬏敵龅奶匦?。力傳感器的?yīng)用范圍很廣，從真空計(jì)到重型機(jī)械稱重秤、工業(yè)液壓設(shè)備和用于內(nèi)燃機(jī)的歧管絕對(duì)壓力 （MAP） 傳感器。每種應(yīng)用對(duì)精度、準(zhǔn)確度和成本都有其不同的需求。

雖然有幾種測(cè)量壓力和重量（力傳感）的方法和技術(shù)，但最常用的測(cè)量元件是應(yīng)變片。

兩種最常見的應(yīng)變片類型是用于各種重量/壓力傳感器的金屬箔型，以及廣泛用于測(cè)量壓力的基于半導(dǎo)體的低阻式傳感器。與金屬箔型換能器相比，壓阻式換能器更靈敏，線性度更好，但溫度依賴性大，初始偏移大。

原則上，所有應(yīng)變片都通過改變電阻值來對(duì)施加的力做出反應(yīng)。因此，在存在電激勵(lì)的情況下，它們有效地將壓力或重量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通常，這些有源電阻元件（應(yīng)變片）中的一個(gè)、兩個(gè)或四個(gè)排列在惠斯通電橋配置（有時(shí)稱為稱重傳感器）中，以產(chǎn)生響應(yīng)壓力或重量的差分輸出電壓。

工程師可以設(shè)計(jì)滿足各種力傳感應(yīng)用獨(dú)特要求的傳感器模塊。成功的設(shè)計(jì)將包括適合物理特性的傳感元件和適當(dāng)設(shè)計(jì)的信號(hào)鏈。

力檢測(cè)應(yīng)用中的信號(hào)鏈框圖。

完整的信號(hào)鏈解決方案

傳感器信號(hào)鏈必須在存在噪聲的情況下處理極小的信號(hào)。精確測(cè)量電阻式傳感器輸出電壓的變化需要提供以下電氣功能的精密電路：激勵(lì)、放大、濾波和采集。某些解決方案可能還需要使用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、誤差補(bǔ)償、數(shù)字增益和用戶可編程性。

興奮

傳感器激勵(lì)通常使用具有低溫度漂移的準(zhǔn)確穩(wěn)定的電壓或電流源。傳感器輸出與激勵(lì)源成比例（通常以mV/V表示）。因此，該設(shè)計(jì)通常具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和激勵(lì)電路的公共基準(zhǔn)，或者使用激勵(lì)電壓作為ADC的基準(zhǔn)。額外的ADC通道可用于精確測(cè)量激勵(lì)電壓。

傳感器/電橋

信號(hào)鏈的這一部分由以稱重傳感器（惠斯通電橋格式）排列的應(yīng)變片傳感器組成，如上面的概述部分所述。

放大和電平轉(zhuǎn)換—模擬前端 （AFE）

在某些設(shè)計(jì)中，傳感器的輸出電壓范圍將非常小，所需的分辨率達(dá)到納伏范圍。在這種情況下，傳感器的輸出信號(hào)在施加到ADC的輸入之前必須被放大。為防止此放大步驟引入誤差，具有極低失調(diào)電壓（V操作系統(tǒng)），并且必須選擇低溫和失調(diào)漂移?；菟雇姌虻囊粋€(gè)缺點(diǎn)是共模電壓遠(yuǎn)大于目標(biāo)信號(hào)。這意味著LNA還必須具有出色的共模抑制比（CMRR），通常大于100dB。當(dāng)使用單端ADC時(shí)，在采集之前需要額外的電路來消除大共模電壓。此外，由于信號(hào)帶寬較低，放大器的1/f噪聲可能會(huì)引入誤差。因此，經(jīng)常使用斬波穩(wěn)定放大器。其中一些嚴(yán)格的放大器要求可以通過使用超高分辨率ADC滿量程范圍的一小部分來避免。

采集—ADC

選擇ADC時(shí)，請(qǐng)查看無噪聲范圍或有效分辨率等規(guī)格，這些規(guī)格表明ADC區(qū)分固定輸入電平的能力。替代術(shù)語可能是范圍內(nèi)的無噪聲計(jì)數(shù)或代碼。大多數(shù)高精度ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)將這些規(guī)格顯示為峰峰值噪聲或RMS噪聲與速度的關(guān)系表;有時(shí)，規(guī)格以圖形方式顯示為噪聲直方圖。

ADC的其他考慮因素包括低失調(diào)誤差、低溫漂移和良好的線性度。對(duì)于某些低功耗應(yīng)用，速度與功耗是另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。

濾波

換能器信號(hào)的帶寬通常很小，對(duì)噪聲的敏感性很高。因此，通過濾波來限制信號(hào)帶寬以降低總噪聲是有用的。使用Σ-Δ型ADC可以簡化噪聲濾波要求，因?yàn)樵摷軜?gòu)中固有的過采樣。

數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） — 數(shù)字領(lǐng)域

除了模擬信號(hào)處理外，捕獲的信號(hào)在數(shù)字域中進(jìn)一步處理，以進(jìn)行信號(hào)提取和降噪。通常會(huì)找到迎合特定應(yīng)用程序及其細(xì)微差別的集中算法。還有一些通用技術(shù)，如失調(diào)和增益校正、線性化、數(shù)字濾波和基于溫度（和其他相關(guān)因素）的補(bǔ)償，這些技術(shù)通常應(yīng)用于數(shù)字域。

信號(hào)調(diào)理/集成解決方案

在一些集成解決方案中，所有必需的功能模塊都集成到單個(gè)IC中，通常稱為傳感器信號(hào)調(diào)理器。信號(hào)調(diào)理器是一種專用IC（ASIC），通常在一定溫度范圍內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償、放大和校準(zhǔn)。根據(jù)信號(hào)調(diào)理器的復(fù)雜程度，ASIC 集成了以下部分或全部模塊：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、溫度傳感器和數(shù)字接口。

通常使用兩種類型的信號(hào)調(diào)理器：模擬信號(hào)路徑調(diào)理器（模擬調(diào)理器）和數(shù)字信號(hào)路徑調(diào)理器（數(shù)字調(diào)理器）。模擬調(diào)理器具有更快的響應(yīng)時(shí)間，并提供連續(xù)輸出信號(hào)，反映輸入信號(hào)的變化。他們通常有一個(gè)硬連線（不靈活）的補(bǔ)償方案。數(shù)字調(diào)理器通常基于微控制器，由于ADC和DSP例程引入延遲，響應(yīng)時(shí)間較慢。應(yīng)審查ADC分辨率，以盡量減少量化誤差。數(shù)字信號(hào)調(diào)理器的最大優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償算法的靈活性，可以適應(yīng)用戶的應(yīng)用。

溫度傳感

概述

溫度檢測(cè)對(duì)于在工業(yè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)三個(gè)關(guān)鍵功能至關(guān)重要。

溫度控制，例如在烤箱、制冷和環(huán)境控制系統(tǒng)中，取決于溫度測(cè)量來做出加熱/冷卻決策。

各種傳感器、振蕩器和其他組件的校準(zhǔn)通常隨溫度而變化。因此，必須測(cè)量溫度以確保敏感系統(tǒng)組件的精度。

保護(hù)組件和系統(tǒng)免受破壞性的溫度偏移。溫度檢測(cè)確定要采取的適當(dāng)操作。

熱敏電阻、RTD、熱電偶和IC是當(dāng)今使用最廣泛的溫度檢測(cè)技術(shù)。每種設(shè)計(jì)方法都有自己的優(yōu)勢(shì)（例如，成本、精度、溫度范圍），使其適用于特定應(yīng)用。下面將討論這些技術(shù)中的每一種。

除了業(yè)界最全面的專用溫度傳感器IC系列外，Maxim還生產(chǎn)系統(tǒng)與熱敏電阻、RTD和熱電偶接口所需的所有元件。

熱敏電阻

熱敏電阻是溫度相關(guān)的電阻器，通常由金屬氧化物陶瓷或聚合物等半導(dǎo)體材料制成。最廣泛使用的熱敏電阻具有負(fù)電阻溫度系數(shù)，因此通常被稱為NTC。還有正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻。

熱敏電阻特性包括中等溫度范圍，通常高達(dá)+150°C，盡管有些能夠承受更高的溫度;低到中等成本取決于精度;以及較差但可預(yù)測(cè)的線性度。熱敏電阻采用探頭、表面貼裝封裝、裸引線和各種專用封裝。Maxim還生產(chǎn)MAX6682和MAX6698等IC，可將熱敏電阻轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。

熱敏電阻通常連接到一個(gè)或多個(gè)固定值電阻以形成分壓器。分壓器的輸出通常由ADC數(shù)字化。熱敏電阻的非線性可以通過查找表或計(jì)算來校正。

即時(shí)熱飲器

電阻溫度檢測(cè)器（RTD）是電阻隨溫度變化的電阻器。鉑金是最常見、最精確的線材;鉑RTD被稱為Pt-RTD.鎳，銅和其他金屬也可用于制造RTD。

RTD特性包括高達(dá)+750°C的寬溫度范圍、出色的精度和可重復(fù)性以及合理的線性度。對(duì)于Pt-RTD，0°C時(shí)最常見的標(biāo)稱電阻值為100Ω和1kΩ，但也提供其他值。

RTD的信號(hào)調(diào)理可以像將RTD與精密固定電阻組合以創(chuàng)建分壓器一樣簡單，也可以更復(fù)雜，特別是對(duì)于寬范圍溫度測(cè)量。常見的方法包括精密電流源、基準(zhǔn)電壓源和高分辨率ADC，如圖1所示。線性化可以通過查找表、計(jì)算或外部線性電路執(zhí)行。

圖1.簡化的RTD信號(hào)調(diào)理電路。

熱電偶

熱電偶是通過連接兩根不同金屬線制成的。導(dǎo)線之間的接觸點(diǎn)產(chǎn)生與溫度大致成比例的電壓。有幾種熱電偶類型由字母表示。最受歡迎的是K型。

熱電偶特性包括高達(dá) +1800°C 的寬溫度范圍;低成本，取決于包裝;K型器件的極低輸出電壓約為40μV/°C;合理的線性度;以及中等復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理，即冷端補(bǔ)償和放大。

用熱電偶測(cè)量溫度有些困難，因?yàn)闊犭娕嫉妮敵龊艿?。測(cè)量更加復(fù)雜，因?yàn)樵跓犭娕季€接觸連接到信號(hào)調(diào)理電路的銅線（或走線）處會(huì)產(chǎn)生額外的熱電偶。該接觸點(diǎn)稱為冷端（見圖2）。為了使用熱電偶精確測(cè)量溫度，必須在冷端添加第二個(gè)溫度傳感器，如圖3所示。然后將在冷端測(cè)量的溫度添加到熱電偶電壓測(cè)量指示的值中。圖3中的示例電路顯示了一種實(shí)現(xiàn)方案，其中包括許多精密元件。

圖2.簡單的熱電偶電路。金屬1和金屬2之間的結(jié)是主要的熱電偶結(jié)。金屬1和金屬2線與測(cè)量設(shè)備的銅線或PCB板（PCB）走線連接的地方存在其他熱電偶。

除了圖3所示的所有元件外，Maxim還生產(chǎn)MAX6674和MAX6675，它們?yōu)镵型熱電偶提供信號(hào)調(diào)理功能。這些器件簡化了設(shè)計(jì)任務(wù)，并顯著減少了放大、冷端補(bǔ)償和數(shù)字化熱電偶輸出所需的元件數(shù)量。

圖3.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利用硅PN結(jié)的線性和可預(yù)測(cè)的熱特性。由于它們是使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝構(gòu)建的有源電路，因此這些IC具有多種形式。它們包括許多功能，如數(shù)字接口、ADC 輸入和風(fēng)扇控制功能，這是其他技術(shù)所不具備的。溫度傳感器 IC 的工作溫度范圍低至 -55°C，最高可達(dá) +125°C，少數(shù)產(chǎn)品的工作上限約為 +150°C。 以下是常見類型的溫度傳感器 IC 的說明。

模擬溫度傳感器

模擬溫度傳感器IC將溫度轉(zhuǎn)換為電壓，或者在某些情況下轉(zhuǎn)換為電流。最簡單的電壓輸出模擬溫度傳感器只有三個(gè)有源連接：接地、電源電壓輸入和輸出。其他具有增強(qiáng)功能的模擬傳感器具有額外的輸入或輸出，例如比較器或基準(zhǔn)電壓輸出。

模擬溫度傳感器利用雙極晶體管的熱特性來產(chǎn)生與溫度成比例的輸出電壓。增益和失調(diào)施加到該電壓上，以提供傳感器輸出電壓和芯片溫度之間的便捷關(guān)系。溫度精度可以非常好。例如，DS600是業(yè)界最精確的模擬溫度傳感器，在-0°C至+5°C范圍內(nèi)保證誤差小于±20.100°C。

本地?cái)?shù)字溫度傳感器

將模擬溫度傳感器與ADC集成是創(chuàng)建具有直接數(shù)字接口的溫度傳感器的明顯方法。這種設(shè)備通常稱為數(shù)字溫度傳感器或本地?cái)?shù)字溫度傳感器?！氨镜亍?表示傳感器測(cè)量其自身溫度。此操作與測(cè)量外部IC或分立晶體管溫度的遠(yuǎn)程傳感器形成鮮明對(duì)比。

基本數(shù)字溫度傳感器只需測(cè)量溫度，并允許通過多個(gè)接口讀取溫度數(shù)據(jù)，包括1線、I2C、PWM和3線?。更復(fù)雜的數(shù)字傳感器還提供其他功能，例如過熱/欠溫輸出、為這些輸出設(shè)置跳變閾值的寄存器以及EEPROM。Maxim生產(chǎn)多種本地?cái)?shù)字溫度傳感器，包括DS7505和DS18B20，可在較寬的溫度范圍內(nèi)保證±0.5°C的精度。

遠(yuǎn)程數(shù)字溫度傳感器

遠(yuǎn)程數(shù)字溫度傳感器也稱為遠(yuǎn)程傳感器或熱二極管傳感器。遠(yuǎn)程傳感器測(cè)量外部晶體管的溫度，可以是分立晶體管，也可以是集成在另一個(gè)IC芯片上的晶體管，如圖4所示。微處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和ASIC通常包括一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)晶體管，通常稱為熱二極管，類似于圖4所示。

圖4.遠(yuǎn)端溫度傳感器MAX6642用于監(jiān)測(cè)外部IC芯片上檢測(cè)晶體管（或熱二極管）的溫度。

遠(yuǎn)程溫度傳感器有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：它們?cè)试S您使用單個(gè)IC監(jiān)控多個(gè)熱點(diǎn)?；镜膯温愤b感傳感器（如圖6642中的MAX4）可以監(jiān)測(cè)兩種溫度：自身溫度和外部溫度。外部位置可以位于目標(biāo)IC的芯片上，如圖4所示，也可以位于使用分立晶體管監(jiān)控的電路板上的熱點(diǎn)。一些遠(yuǎn)程傳感器監(jiān)測(cè)多達(dá)七個(gè)外部溫度。因此，由IC和電路板熱點(diǎn)組成的八個(gè)位置從單個(gè)芯片進(jìn)行監(jiān)控。以MAX6602為例。該溫度傳感器具有四個(gè)遠(yuǎn)端二極管輸入，因此可以監(jiān)測(cè)一對(duì)集成熱二極管的FPGA的溫度、使用分立晶體管的兩個(gè)電路板熱點(diǎn)以及MAX6602位置的電路板溫度。本文提到的MAX6602和MAX6642在讀取外部熱二極管時(shí)均達(dá)到±1°C的精度。

電流、光和接近檢測(cè)

概述

電流檢測(cè)在許多應(yīng)用中都很重要，可分為兩種常用方法。

在一種方法中，電流檢測(cè)通常用于更高的電流，并且通常用于電源監(jiān)控。典型應(yīng)用包括短路檢測(cè)、瞬態(tài)檢測(cè)和電池反接檢測(cè)。

電流檢測(cè)還用于需要低得多電流檢測(cè)水平（以微安為單位）的應(yīng)用，例如光電二極管，當(dāng)暴露在光線下時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量電流。常見應(yīng)用包括環(huán)境光傳感、接近檢測(cè)和基于光吸收/反射的化學(xué)過程監(jiān)測(cè)。

這些電流檢測(cè)技術(shù)采用多種配置的電流檢測(cè)放大器或跨阻放大器（TIA）。

使用電流檢測(cè)放大器進(jìn)行電流檢測(cè)

測(cè)量電流的技術(shù)多種多樣，但迄今為止最流行的是使用檢流電阻。這種方法的基本原理是使用基于運(yùn)算放大器的差分增益級(jí)放大檢流電阻兩端的壓降，然后測(cè)量產(chǎn)生的電壓。雖然分立元件可用于構(gòu)建放大器電路，但集成電流檢測(cè)放大器與分立式方案相比具有顯著優(yōu)勢(shì)：更好的溫度漂移、更小的 PC 板 （PCB） 面積以及處理寬共模范圍的能力。

大多數(shù)電流檢測(cè)應(yīng)用采用低邊或高邊原理。在低邊技術(shù)中，檢測(cè)電阻與接地路徑串聯(lián)。電路處理，輸出電壓以地為參考。然而，低側(cè)檢測(cè)電阻會(huì)在接地路徑中增加不需要的外來電阻。采用高端原理，檢測(cè)電阻與正電源電壓串聯(lián)。這里的負(fù)載接地，但高端電阻必須處理相對(duì)較大的共模信號(hào)。

電流檢測(cè)應(yīng)用中的信號(hào)鏈框圖有關(guān)Maxim推薦的電流檢測(cè)方案列表，請(qǐng)?jiān)L問：www.maximintegrated.com/detect。

Maxim的高邊電流檢測(cè)放大器采用電流檢測(cè)電阻，位于電源正端和監(jiān)控電路的電源輸入之間。這種布置避免了接地層中的外來電阻，大大簡化了布局，并且總體上提高了整體電路性能。Maxim的單向和雙向電流檢測(cè)IC包括帶或不帶內(nèi)部檢測(cè)電阻的器件。

使用跨阻放大器 （TIA） 進(jìn)行光檢測(cè)

第二種最流行的電流測(cè)量技術(shù)使用具有極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器，如TIA，它將電流輸入轉(zhuǎn)換為電壓輸出。該原理適用于變化大得多的電流，例如光電二極管在光傳感應(yīng)用中產(chǎn)生的電流。

簡單的光電二極管是一種非常精確的光傳感器，用于感測(cè)光。光傳感用于許多不同的應(yīng)用，從基于太陽光的電源管理到復(fù)雜的工業(yè)過程控制應(yīng)用。由于給定情況下的照度可以在很寬的范圍內(nèi)變化（例如，從20klx到100klx），因此寬動(dòng)態(tài)范圍可能是光傳感器的關(guān)鍵要求。MAX44007或MAX44009等集成方案集成了光電二極管、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），提供0.025lx至104，000lx （MAX44007）和0.045lx至188，000lx （MAX44009）的動(dòng)態(tài)范圍。

使用光電二極管進(jìn)行接近感應(yīng)

雖然接近感應(yīng)可以通過多種方式完成，但與其他方法相比，使用光電二極管可提供更高的精度并節(jié)省更多功率。當(dāng)光照射到光電二極管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與光強(qiáng)度成比例的電流。具有低輸入噪聲和高帶寬的緩沖級(jí)將該電流傳輸?shù)较到y(tǒng)的其余部分。具有低輸入電流噪聲的放大器，如MAX9945，可提供精確的測(cè)量。

傳感器通信接口

傳感器通過模擬或數(shù)字技術(shù)傳達(dá)其感測(cè)信息。模擬技術(shù)基于電壓或電流環(huán)路。數(shù)字信息與CAN，CompoNet?，IO-Link?，RS-485和其他數(shù)據(jù)接口進(jìn)行通信。

二進(jìn)制傳感器僅傳輸單位信息。通常，檢測(cè)對(duì)象是否存在并與邏輯電平進(jìn)行通信。此外，當(dāng)閥門中的活塞等物體達(dá)到預(yù)定義的臨界距離時(shí)，傳感器會(huì)檢測(cè)到并通過二進(jìn)制接口將其傳送給可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)。

傳感器接口必須能夠抵御各種形式的誤操作和EMI，因?yàn)楣I(yè)環(huán)境非常惡劣。

審核編輯：郭婷