傳感器信號調(diào)理電路

信號調(diào)理是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運動、位置、PH、光強等。通常，傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這是因為傳感器輸出是相當(dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)據(jù)之前必須進行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到微控制器或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理（見圖1）。此鏈路工作的關(guān)鍵是選擇運放運放要正確在接口被測的各種類型傳感器。然后，設(shè)計人員必須選擇ADC。ADC應(yīng)具有處理來自輸入電路信號的能力，并能產(chǎn)生滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分辨率、精度和取樣率的數(shù)字輸出。
傳感器
傳感器根據(jù)所測物理量的類型可分類為：測量溫度的熱電偶、電阻溫度檢測器（RTD）、熱敏電阻；測量壓力或力的應(yīng)變片；測量溶液酸堿值的PH電極；用于光電子測量光強的PIN光電二極管等等。傳感器可進一步分類為有源或無源。有源傳感器需要一個外部激勵源（電壓或電流源），而無源傳感器不用激勵而產(chǎn)生自己本身的電壓。通常的有源傳感器是RTD、熱敏電阻、應(yīng)變片，而熱電偶和PIN二極管是無源傳感器。為了確定與傳感器接口的放大器所必須具備的性能指標(biāo)，設(shè)計人員必須考慮傳感器如下的主要性能指標(biāo)：
源阻抗
——高的源阻抗大于100KΩ
——低的源阻抗小于100Ω
輸出信號電平
——高信號電平大于500mV滿標(biāo)
——低信號電平大于100mV滿標(biāo)
動態(tài)范圍
在傳感器的激勵范圍產(chǎn)生一個可測量的輸出信號。它取決于所用傳感器類型。
放大器功用
放大器除提供dc信號增益外，還緩沖和定標(biāo)送到ADC之前的傳感器輸入。放大器有兩個關(guān)鍵職責(zé)。一個是根據(jù)傳感器特性為傳感器提供合適的接口。另一個職責(zé)是根據(jù)所呈現(xiàn)的負(fù)載接口ADC。關(guān)鍵因素包括放大器和ADC之間的連接距離，電容負(fù)載效應(yīng)和ADC的輸入阻抗。
選擇放大器與傳感器正確接口時，設(shè)計人員必須使放大器與傳感器特性匹配?？煽康姆糯笃魈匦詫τ趥鞲衅鳌糯笃鹘M合的工作是關(guān)鍵性的。傳感器和放大器的關(guān)鍵性能指標(biāo)見表1。例如，PH電極是一個高阻抗傳感器，所以，放大器的輸入偏置電流是優(yōu)先考慮的（表中的H）。PH傳感器所提供的信號不允許產(chǎn)生任何相當(dāng)大的電流，所以，放大器必須是在工作時不需要高輸入偏置電流的型號。具有低輸入偏置電流的高阻抗MOS輸入放大器是符合這種要求的最好選擇。另外，對于應(yīng)用增益常寬乘積（GBP）是低優(yōu)先考慮（表1中L），這是因為傳感器工作在低頻，而放大器的頻率響應(yīng)不應(yīng)該妨礙傳感器信號波形的真正再生。
表1傳感器和放大器的關(guān)鍵性能指標(biāo)
傳感器
失調(diào)電壓
失調(diào)電壓偏移
增益帶寬乘積
輸入偏置電流
共模抑制比
PH電極
M
M
L
H
M
PIN光電二極管
M
M
H
M
L
熱電偶
H
H
L
L
H
應(yīng)變片
H
H
L
L
H
注：表中L、M、H分別表示低中高優(yōu)先考慮
傳感器和放大器匹配電路
PH電極緩沖器
高阻抗PH傳感器可與具有低功率電路（僅需要2個1.5V電池供電）的放大器配對（圖2）。放大器MOS輸入晶體管為傳感器提供高阻抗、傳感器輸出阻抗為1mΩ或更大。此放大器的輸入偏置電流小于1PA，所以，放大器工作消耗非常小的電流。放大器的失調(diào)電壓小于1mV。放大器提供轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)工作并具有高驅(qū)動能力，能在長線上發(fā)送信號（放大器遠(yuǎn)離ADC的情況）。在電路中增加了一個精密溫度傳感器，可以測量PH傳感器的溫度。這使得具有精確的PH溫度補償值。
完整的傳感器橋接口
測量應(yīng)變片傳感器通常要通過橋網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)變片構(gòu)成橋的兩個（或4個）臂。應(yīng)變片是低源阻抗器件，其輸出信號范圍是小的（幾百微伏_幾毫伏）。圖3所示的電路能為精確測量傳感器信號提供測量橋穩(wěn)定激勵電壓和高共模電壓抑制（CMR），消除了任何共模電壓。用高精度和非常低漂移（隨溫度）的精密電壓基準(zhǔn)驅(qū)動放大器A1。這可為橋提供非常精確、穩(wěn)定的激勵源。因為共模電壓大約為激勵電壓的一半，所以被測信號僅僅是橋臂之間小的差分電壓。放大器A2、A3、A4必須提供高共模抑制比（CMRR），所以僅測量差分電壓。這些放大器也必須具有低值輸入失調(diào)電壓（VOS）漂移（也稱之為失調(diào)電壓溫度系數(shù)TCVOS）和輸入偏置電流，以使得從傳感器能精確地讀數(shù)。放大器A1_A4連接成儀表放大器以達到上述目標(biāo)。這種配置的電壓增益（AV）為：AV=（1+2R2/bR2）(aR1/R1)，其中a和b是確定總增益的比值。
輻射分析儀通道
輻射譜測量來自輻射源的發(fā)射能量的分布，輻射源可以是粒子，X射線或γ射線。輻射照到閃光晶體上并發(fā)射強度正比于能量的短脈沖。然后由PIN光電二極管把光轉(zhuǎn)換為電流。放大器（見圖4）用做首置放大器和PIN光電二極管輸出的電流/電壓轉(zhuǎn)換器。此電路為用于基本輻射譜的單通道分析儀。信號的脈沖幅度包含重要信息，所以低輸入失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移是重要的。寬帶寬為處理脈沖（可窄到幾納秒）提供快速響應(yīng)。首置放大器輸出（VOUT）到脈沖幅充分析儀（如快速ADC）來測量和儲存每個峰值發(fā)生的數(shù)。分布是單個源的光譜。反饋電阻R1值取決于來自PIN光電二極管的最大電流和別ADC的最大輸出電壓。因此，R1=（Max VOUT）/(Max ISIGNAL)。電容C1用于PIN光電二極管寄生電容的補償。R2和C2相當(dāng)于R1和C1用于補償放大器非倒相輸入的輸入偏置電流。
熱電耦接口電路
熱電偶根據(jù)兩個不同金屬線結(jié)點之間的溫度差提供電壓信號。熱電偶溫度傳感器具有一個感測端（金屬A/金屬B連接端）和一個參考端（金屬A和金屬B與銅導(dǎo)線連接端）。冷端參考溫度與熱電偶信號一道進行控制和測量。熱電偶具有大約10μV/℃_80μV/℃的小信號電平范圍和小的源阻抗。配置成差分放大器的單放大器（圖5）把信號放大到ADC輸入所需的電平。差分放大器增益為：
ΔV=xR/R
其中x是電阻比，x決定增益。差分配置有助于抑制熱電偶線的共模拾取。放大器應(yīng)具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移。
信號調(diào)理系統(tǒng)的最后級——ADC
信號調(diào)理系統(tǒng)的基本目標(biāo)是盡可能快速、完整和便宜地把模擬傳感器數(shù)據(jù)變換為數(shù)字形式，此任務(wù)就落在ADC身上。所用ADC的類型由一系列參數(shù)決定。這包括所需的分辨率（位數(shù)）、速度（數(shù)據(jù)吞吐率）、ac或dc信號輸入、精度（dc和ac）、等待時間（取樣周期開始和第一個有效數(shù)字輸出之間的時間）和電源電平。在輸出端（接口到微控制器或數(shù)字信號處理器）的重要參數(shù)包括串行還并行、處理器的輸入電壓電平、有效的電源電壓和功耗考慮。
大多數(shù)信號調(diào)理應(yīng)用采用逐次逼近（SAR）或積分型ADC。這兩種ADC能很為地處理dc信號，而SAR型ADC對快速ac信號能提供更為的支持（表2）。SAR轉(zhuǎn)換器是所有ADC中最通用的，這種轉(zhuǎn)換器把高分辨率（高達16位）和高吞吐能力結(jié)合在一起。
積分ADC具有長操作時間，這是因為所用轉(zhuǎn)換方法的原因，但通過信號平均使其具有噪音降低的特點。對于中頻ac信號，Δ—Σ轉(zhuǎn)換器是最好的選擇，因為對這類輸入高分辨率和高精度。Δ—Σ轉(zhuǎn)換器分辨率高達24位，但以降低速度為代價，共等待時間非常長。其他兩類ADC——流水線和分段ADC是高速器件，非常適合用于轉(zhuǎn)換高頻ac信號。（京湘）
表2  ADC特性和應(yīng)用
ADC類型
DC精度
AC精度
分辨率高
速度
等待時間
應(yīng)用
注解

SAR
高
高
達16位
低中
無
DC/AC信號
在信號調(diào)理應(yīng)用中
多頻良積分
高
低
高于20位
非常低
無
DC信號，低頻AC
良好AC抑制，等待時間小，但轉(zhuǎn)換時間很長。用于DC負(fù)載應(yīng)用、稱重等
Δ—Σ
低
高
高達24位
低中
非常長
音頻/AC
通常用于音頻和負(fù)載變化分析應(yīng)用中
流水線
低
高
高達16位
高
中等
AC信號
用于中高頻AC信號
分段
低
高
高達16位
高
低
AC信號
用于中、高頻AC信號
圖1  傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)框圖
圖2  PH電極緩沖器電路
圖3  完整的傳感器橋接口電路
圖4  典型的輻射分析儀通道
圖5  熱電偶接口電路