智能傳感器仿真加速信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電子器件及相關(guān)校正算法并非易事，而且耗時(shí)長(zhǎng)。使用硬件傳感器仿真器可顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。例如，造成溫度校正費(fèi)時(shí)的一個(gè)主要原因是在環(huán)境艙中溫度從冷到熱循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，可能需要幾小時(shí)溫度才能達(dá)到穩(wěn)定，像典型的三點(diǎn)校正（-55℃、25℃和85℃）需要八小時(shí)。傳感器仿真器中已經(jīng)設(shè)置了傳感器溫度漂移的模型，這樣控制工程師僅需幾分鐘即可完成仿真校正。這樣一天之內(nèi)可以做很多校正，節(jié)省了時(shí)間，僅需將注意力集中在傳感器硬件的調(diào)試或開(kāi)發(fā)校正算法。

傳感器的另一問(wèn)題是有些傳感器需要昂貴的設(shè)備提供激勵(lì)（比如，濕度、加速、pH、壓力和拉力）。在很多情況下并不容易接觸這些設(shè)備。使用傳感器仿真器可以在使用這樣設(shè)備之前調(diào)試軟硬件，可提高實(shí)驗(yàn)室研究的效率。此外，這些用于產(chǎn)生激勵(lì)的設(shè)備有時(shí)是為特定傳感器而開(kāi)發(fā)的，未必通過(guò)驗(yàn)證。

例如，ContrivanceEngineering開(kāi)發(fā)的定制機(jī)械校正系統(tǒng)用于在傳感器上加力矩。由于傳感器是與那些校正系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)發(fā)的，沒(méi)有傳感器仿真器則很難調(diào)試這些傳感器。而且，如果校正系列一開(kāi)始就存在機(jī)械振蕩問(wèn)題，如果沒(méi)有仿真器，很難確定振蕩是機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的還是來(lái)自電氣系統(tǒng)。

傳感器還可能在不可重復(fù)的問(wèn)題，這樣就很難判斷是傳感器的故障還是傳感器的性能所限。比如，壓力傳感器除了延時(shí)外，還會(huì)存在壓力滯后或溫度滯后，因?yàn)閭鞲衅骱碗娮悠骷ǔ７胖迷诿芊夂兄校@樣就很難判斷故障是來(lái)自傳感器的還是電子器件的。傳感器趕集器不存在不可重復(fù)性，因此可評(píng)估傳感器電子器件的精度。

在詳細(xì)講解如何實(shí)現(xiàn)傳感器仿真器之前，可把它視作一個(gè)黑箱。本文的傳感器仿真器用于仿真四元件Wheatstone橋傳感器。由于大多數(shù)橋傳感器提供相關(guān)的溫度傳感器，因此它可效仿兩種不同類(lèi)型溫度傳感器的效果（二極管和串行電阻）。



橋傳感器示例

PGA309是典型的信號(hào)調(diào)節(jié)片上系統(tǒng)，它可用于補(bǔ)償溫度漂移和阻性橋傳感器的非線性。圖1a為橋傳感器實(shí)例，其溫度系數(shù)將用于確定電阻電壓（Rt）。Rt上的電壓為溫度信號(hào)。仿真器可模擬Rt溫度感應(yīng)方法，它提供一個(gè)可編程溫度信號(hào)，根據(jù)溫度信號(hào)調(diào)制橋電壓。該傳感器仿真器還可模擬圖1b的電路，該圖中二極管用于測(cè)量橋溫度。



圖2描述了傳感器的溫度飄移。傳感器仿真器將三個(gè)不同溫度（室溫、熱和冷）下的飄移建立了模型。圖3為傳感器輸出信號(hào)與激勵(lì)間關(guān)系。通常該信號(hào)僅包括二階非線性。傳感器仿真器將傳感器響應(yīng)與所加激勵(lì)在室溫下五個(gè)分立點(diǎn)

及冷熱兩種溫度下三個(gè)分立點(diǎn)的情況分別模擬出來(lái)。

傳感器溫度漂移

輸出信號(hào)與激勵(lì)的關(guān)系

傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常調(diào)制激勵(lì)電壓以校正傳感器的非線性。由于Vexc的調(diào)節(jié)可用于校正所加壓力的非線性，因此才可以用于為現(xiàn)實(shí)傳感器建模，即傳感器仿真器輸入Vexc的變化將直接影響所仿真的橋輸出。

圖4表示了視作黑箱的傳感器仿真器。注意到Vexc輸入、傳感器輸出和溫度信號(hào)輸出，以及溫度輸出和傳感器輸出的控制。溫度輸出控制有三個(gè)不同溫度（室溫、高溫和低溫）。傳感器輸出有如下輸出：0、50%及100%低溫、0、25、50、75和100室溫、0、50和100%高溫。

傳感器仿真器可視作黑箱

有些工程師也許會(huì)問(wèn)，為何提高精度并不能解決問(wèn)題，比如采用精密電源（如毫伏校正器）模擬傳感器輸出。使用電壓源模擬傳感器輸出的主要問(wèn)題是它不能用傳感器的激勵(lì)電壓調(diào)制。傳感器的電子器件通常用改變傳感器激勵(lì)電壓的方式校正非線性，當(dāng)傳感器用于放射滴定時(shí)也會(huì)變化。在這種模式下，傳感器和電子器件共用一個(gè)電源。測(cè)試放射滴定電源抑制很難用精確的電源實(shí)現(xiàn)。

在模擬傳感器的時(shí)候需要三個(gè)精確電源。一個(gè)用于共模信號(hào)，一個(gè)用于差分信號(hào)，另一個(gè)用于溫度信號(hào)（參見(jiàn)圖5）。這種設(shè)置比本文建議的仿真器方式成本高，而且它需要對(duì)每個(gè)傳感器輸出配置進(jìn)行重設(shè)置。而仿真器輸出配置僅需設(shè)置一次，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)選擇。

仿真?zhèn)鞲衅魉璧娜齻€(gè)精密電壓源其中之一。

傳感器仿真器的簡(jiǎn)單實(shí)施

Wheatstone橋傳感器的仿真器有多種實(shí)現(xiàn)方式。這里介紹的方式非常直觀，它采用整形電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，如果使用更復(fù)雜的方法，可以用D/A轉(zhuǎn)換器、微控制器、PC接口和相關(guān)軟件。這兩種方法有各自的優(yōu)勢(shì)，用直觀的方式可避免使用軟件。

圖5介紹了傳感器仿真器的單個(gè)通道和。完整的設(shè)計(jì)使用十一個(gè)通道和旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)以產(chǎn)生十一個(gè)獨(dú)特的輸出狀態(tài)。這十一種不同的輸出狀態(tài)通常用于模擬不同激勵(lì)下在三種不同溫度時(shí)的傳感器輸出。使用這種配置是因?yàn)椋蠖鄶?shù)常用傳感器校正算法需要三個(gè)不同溫度和三種不同程度的激勵(lì)。通過(guò)調(diào)節(jié)R8（精調(diào)時(shí)使用R9）產(chǎn)生差分信號(hào)。使用圖中所示的元件，激勵(lì)電壓為5V時(shí)，電路輸出范圍為±25mV。數(shù)小時(shí)的測(cè)量穩(wěn)定度約為0.03%。該電路的輸出范圍可通過(guò)改變R7和R10來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，激勵(lì)電壓為5V時(shí)，使用1k歐電阻可將范圍變?yōu)椤?50mV。這樣電路可用于模擬不同范圍的傳感器輸出，提高精度和可重復(fù)性。

該傳感器仿真器還可以模擬溫度輸出信號(hào)。大多數(shù)傳感器內(nèi)置了簡(jiǎn)單的溫度傳感器以監(jiān)視橋傳感器溫度。

前文已經(jīng)提及傳感器通常用二極管產(chǎn)生溫度信號(hào)，或者使用橋電阻的溫度系數(shù)（theRtmethod）.


圖6解釋了如何產(chǎn)生Rt溫度信號(hào)。R2和R3用于模擬橋電阻的溫度系數(shù)，R4用于溫度傳感器電阻Rt。

如何產(chǎn)生Rt溫度信號(hào)的仿真

相同的阻性分壓器可用于產(chǎn)生常溫、高溫和低溫信號(hào)。該電路的另一優(yōu)勢(shì)是Rt溫度信號(hào)可通過(guò)傳感器的激勵(lì)電壓調(diào)制。U3和U4緩存溫度輸出信號(hào)，可用于調(diào)節(jié)傳感器輸出信號(hào)，這樣傳感器輸出信號(hào)相當(dāng)于串聯(lián)橋。溫度感應(yīng)的二極管方法僅需用阻性分壓器代替二極管即可實(shí)現(xiàn)。而且同樣的電路也可與旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)共同使用以產(chǎn)生室溫、高溫和低溫信號(hào)。