传感器信号通道设计

　　概述

　　在现代工业控制和系统监测领域，通常需要监测、测量压力和重量。由于压力可直接用来测量流体、高度及其它物理量，压力测量尤其重要。由于加载是影响传感器输出的一项属性，压力、重量测量装置可以看作是“加载传感器”。加载传感器的应用非常广泛，包括从真空计到重型机械称重，以及工业液压设备、绝对压力传感器等各个领域。每种应用对精度、准确度和成本都有不同的具体需求。

　　虽然压力和重量(加载/感应)的测量方法和技术有许多，但最常用的测量装置是应力计。

　　最常见的应力计有两种：一种是重量/压力传感器大多采用的金属箔；另一种是基于半导体的压阻式传感器，广泛用于压力测量。相对于金属箔传感器，压阻式传感器灵敏度更高，线性度也更好，但容易受温度的影响，并有一定的初始偏差。

　　从原理上讲，所有应力计在受到外力时都会改变电阻值。因此，有电信号激励时，即可有效地将压力、重量转换成电信号。通常在惠斯通电桥(有时称为测压元件)上放置1个、2个或4个这样的有源电阻元件(应力计)，从而产生与压力或重量对应的差分输出电压。

　　工程师可以设计一种能够满足多种加载/感应系统需求的传感器模块。一款成功的设计需要包括用于检测物理量的传感器元件和设计合理的信号链路。

图1  加载/感应系统的信号链路框图

　　完备的信号链路方案

　　传感器信号链路必须能够处理带有噪声的弱信号。为了准确测量电阻式传感器输出电压的变化，电路必须具备以下功能：激励、放大、滤波和采集。有些解决方案可能还要求采用数字信号处理(DSP)技术对信号进行处理、误差补偿、数字放大以及用户可编程操作。

　　激励

　　具有极低温漂的高精度、稳定的电压或电流源常常用作传感器激励。传感器输出与激励源成比例(往往以mV/V表示)。因此，设计时，模/数转换器和激励电路通常采用一个公共基准，或者将激励电压作为ADC的基准。可以利用附加的ADC通道精确测量激励电压。 

　　传感器/电桥

　　信号链路的这部分功能包括应力传感器，它被放置在测压元件(惠斯通电桥设计)部分，如上文中的“概述”部分。

　　放大和电平转换模拟端(AFE)

　　有些设计中，传感器输出电压范围非常小，要求分辨率达到nV级。这种情况下，在将传感器输出信号送至ADC输入之前，必须对信号进行放大。为了防止放大阶段引入误差，需要选择低失调电压(VOS)、低温漂的低噪声放大器。惠斯通电桥的缺点是共模电压远远大于有用信号。这意味着LNA还必须具有非常高的共模抑制比(CMRR)，通常大于100dB。如果采用单端ADC，则需附加电路在数据采集之前消除较高的共模电压。此外，由于信号带宽很窄，放大器的1/f噪声也会引入误差。因此，最好采用斩波稳定放大器。使用分辨率非常高的ADC，占用满量程范围的一小部分有助于降低对放大器的苛刻要求。

　　采集-ADC

　　选择ADC时需严格确认其技术指标，例如：无噪声范围或有效分辨率，该指标表示ADC能够辨别固定输入电平的能力。一种替代指标是无噪声计数或编码。大多数高精度ADC的数据资料把这些指标表示为噪声峰值或RMS 噪声与速度的对应关系表，有时也以噪声直方图的形式表示这些指标。

　　其它需要考虑的ADC指标包括：低失调误差、低温漂及优异的线性度。对于特定的低功耗应用，速度与功耗的关系也是非常重要的规格。

　　滤波

　　传感器信号的带宽一般很窄，对噪声的敏感度较高。因此，通过滤波限制信号的带宽可显著降低总体噪声。利用Σ-Δ ADC能够简化噪声滤波要求，因为这种架构提供固有的过采样特性。

　　数字信号处理(DSP)-数字域

　　除模拟信号调理外，为了提取信号并降低噪声，还需要在数字域对所采集的信号作进一步处理。通常需要找到针对具体应用及其细微差别的算法。有些通用算法，例如，数字域的失调和增益校准、线性化处理、数字滤波和基于温度(或其它制约因素)的补偿。

　　信号调理/集成方案

　　有些集成方案把所有需要的功能模块集成在单一芯片，通常称为传感器信号调理器IC。信号调理器是一种专用IC (ASIC)，它对输入信号进行补偿、放大和校准，能够覆盖较宽的温度范围。根据对信号调理器的不同精度要求，ASIC会集成以下全部或部分模块：传感器激励电路、数/模转换器(DAC)、可编程增益放大器(PGA)、模/数转换器(ADC)、存储器、多路复用器(MUX)、CPU、温度传感器以及数字接口。

　　常见的信号调理器有两种类型：模拟信号通路的调理器(模拟调理器)和数字信号通路的调理器(数字调理器)。模拟调理器的响应时间较快，提供连续的输出信号，反映输入信号的实时变化。它们通常采用硬件补偿机制(不够灵活)。数字调理器往往基于微控制器，由于ADC和DSP算法具有一定的执行时间，响应时间较慢。应该考虑ADC的分辨率，将量化误差降至最小。数字信号调理器的最大好处是提供灵活的补偿算法，可根据用户的应用进行调整。

　　温度检测

　　概述

　　温度检测在工业系统中的主要作用表现在三个方面。

　　1.温度控制，例如恒温炉、冷冻箱和环境控制系统，根据实测温度判断实施加热/致冷操作。

　　2.校准各种传感器、振荡器及其它经常随温度变化的元件。由此，必须通过测量温度确保敏感系统元件的精度。

　　3.保护元件和系统在极端温度下不被损坏。温度检测决定所要采取的相应措施。