電子元器件知識:傳感器信號調理電路

信號調理往往是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數據采集、控制過程、執行計算顯示讀出和其他目的的數字信號。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換為數字數據，這是因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數字數據之前必須進行調理。調理就是放大，緩沖或定標模擬信號，使其適合于模/數轉換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數字化，并把數字信號送到微控制器或其他數字器件，以便用于系統的數據處理(見圖1)。此鏈路工作的關鍵是選擇運放，運放要正確地接口被測的各種類型傳感器。然后，設計人員必須選擇ADC。ADC應具有處理來自輸入電路信號的能力，并能產生滿足數據采集系統分辨率、精度和取樣率的數字輸出。

　　傳感器

　　傳感器根據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生自己本身的電壓。通常的有源傳感器是RTD、熱敏電阻、應變片，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，設計人員必須考慮傳感器如下的主要性能指標：

　　·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

　　——低信號電平大于100mV滿標

　　·動態范圍

　　在傳感器的激勵范圍產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，還緩沖和定標送到ADC之前的傳感器輸入。放大器有兩個關鍵職責。一個是根據傳感器特性為傳感器提供合適的接口。另一個職責是根據所呈現的負載接口ADC。關鍵因素包括放大器和ADC之間的連接距離，電容負載效應和ADC的輸入阻抗。

　　選擇放大器與傳感器正確接口時，設計人員必須使放大器與傳感器特性匹配。可靠的放大器特性對于傳感器——放大器組合的工作是關鍵性的。傳感器和放大器的關鍵性能指標見表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先考慮的(表中的H)。PH傳感器所提供的信號不允許產生任何相當大的電流，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，對于應用增益帶寬乘積(GBP)是低優先考慮(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不應該妨礙傳感器信號波形的真正再生。


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1MW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。放大器的失調電壓小于1mV。放大器提供軌到軌工作并具有高驅動能力，能在長線上發送信號(放大器遠離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

　　·測量應變片傳感器通常要通過橋網絡，應變片構成橋的兩個(或4個)臂。應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)的精密電壓基準驅動放大器A1。這可為橋提供非常精確、穩定的激勵源。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電壓(VOS)漂移(也稱之為失調電壓溫度系數TCVOS)和輸入偏置電流，以使得從傳感器能精確地讀數。放大器A1~A4連接成儀表放大器以達到上述目標。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射強度正比于能量的短脈沖。然后由PIN光電二極管把光轉換為電流。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，所以低輸入失調電壓和低失調電壓漂移是重要的。寬帶寬為處理脈沖(可窄到幾納秒)提供快速響應。首置放大器輸出(VOUT)到脈沖幅度分析儀(如快速ADC)來測量和儲存每個峰值發生的數。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到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

　　熱電偶根據兩個不同金屬線結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10mV/℃~80mV/℃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：

　　AV=xR/R

　　其中x是電阻比，它決定增益。差分配置有助于抑制熱電偶線的共模拾取。放大器應具有低失調電壓和低失調電壓漂移。

　　信號調理系統的最后級——ADC

　　信號調理系統的基本目標是盡可能快速、完整和便宜地把模擬傳感器數據變換為數字形式，此任務就落在ADC身上。所用ADC的類型由一系列參數決定。這包括所需的分辨率(位數)、速度(數據吞吐率)、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字信號處理器)的重要參數包括串行或并行、處理器的輸入電壓電平、有效的電源電壓和功耗考慮。

　　大多數信號調理應用采用逐次逼近(SAR)或積分型ADC。這兩種ADC能很好地處理dc信號，而SAR型ADC對快速ac信號能提供更好的支持(表2)。SAR轉換器是所有ADC中最通用的，這種轉換器把高分辨率(高達16位)和高吞吐能力結合在一起。

　　積分ADC具有長操作時間，這是因為所用轉換方法的原因，但通過信號平均使其具有噪音低的特點。對于中頻ac信號，D-S轉換器是最好的選擇，因為它們具有高分辨率和高精度。D-S轉換器分辨率高達24位，但以降低速度為代價，其等待時間非常長。其他兩類ADC—流水線和分段ADC是高速器件，非常適合用于轉換高頻ac信號。