传感器信号调理电路（16）

信号调理是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。通常，传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数据之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理（见图1）。此链路工作的关键是选择运放运放要正确在接口被测的各种类型传感器。然后，设计人员必须选择ADC。ADC应具有处理来自输入电路信号的能力，并能产生满足数据采集系统分辨率、精度和取样率的数字输出。
传感器
传感器根据所测物理量的类型可分类为：测量温度的热电偶、电阻温度检测器（RTD）、热敏电阻；测量压力或力的应变片；测量溶液酸碱值的PH电极；用于光电子测量光强的PIN光电二极管等等。传感器可进一步分类为有源或无源。有源传感器需要一个外部激励源（电压或电流源），而无源传感器不用激励而产生自己本身的电压。通常的有源传感器是RTD、热敏电阻、应变片，而热电偶和PIN二极管是无源传感器。为了确定与传感器接口的放大器所必须具备的性能指标，设计人员必须考虑传感器如下的主要性能指标：
源阻抗
——高的源阻抗大于100KΩ
——低的源阻抗小于100Ω
输出信号电平
——高信号电平大于500mV满标
——低信号电平大于100mV满标
动态范围
在传感器的激励范围产生一个可测量的输出信号。它取决于所用传感器类型。
放大器功用
放大器除提供dc信号增益外，还缓冲和定标送到ADC之前的传感器输入。放大器有两个关键职责。一个是根据传感器特性为传感器提供合适的接口。另一个职责是根据所呈现的负载接口ADC。关键因素包括放大器和ADC之间的连接距离，电容负载效应和ADC的输入阻抗。
选择放大器与传感器正确接口时，设计人员必须使放大器与传感器特性匹配。可靠的放大器特性对于传感器——放大器组合的工作是关键性的。传感器和放大器的关键性能指标见表1。例如，PH电极是一个高阻抗传感器，所以，放大器的输入偏置电流是优先考虑的（表中的H）。PH传感器所提供的信号不允许产生任何相当大的电流，所以，放大器必须是在工作时不需要高输入偏置电流的型号。具有低输入偏置电流的高阻抗MOS输入放大器是符合这种要求的最好选择。另外，对于应用增益常宽乘积（GBP）是低优先考虑（表1中L），这是因为传感器工作在低频，而放大器的频率响应不应该妨碍传感器信号波形的真正再生。
表1传感器和放大器的关键性能指标
传感器
失调电压
失调电压偏移
增益带宽乘积
输入偏置电流
共模抑制比
PH电极
M
M
L
H
M
PIN光电二极管
M
M
H
M
L
热电偶
H
H
L
L
H
应变片
H
H
L
L
H
注：表中L、M、H分别表示低中高优先考虑
传感器和放大器匹配电路
PH电极缓冲器
高阻抗PH传感器可与具有低功率电路（仅需要2个1.5V电池供电）的放大器配对（图2）。放大器MOS输入晶体管为传感器提供高阻抗、传感器输出阻抗为1mΩ或更大。此放大器的输入偏置电流小于1PA，所以，放大器工作消耗非常小的电流。放大器的失调电压小于1mV。放大器提供转到转工作并具有高驱动能力，能在长线上发送信号（放大器远离ADC的情况）。在电路中增加了一个精密温度传感器，可以测量PH传感器的温度。这使得具有精确的PH温度补偿值。
完整的传感器桥接口
测量应变片传感器通常要通过桥网络，应变片构成桥的两个（或4个）臂。应变片是低源阻抗器件，其输出信号范围是小的（几百微伏_几毫伏）。图3所示的电路能为精确测量传感器信号提供测量桥稳定激励电压和高共模电压抑制（CMR），消除了任何共模电压。用高精度和非常低漂移（随温度）的精密电压基准驱动放大器A1。这可为桥提供非常精确、稳定的激励源。因为共模电压大约为激励电压的一半，所以被测信号仅仅是桥臂之间小的差分电压。放大器A2、A3、A4必须提供高共模抑制比（CMRR），所以仅测量差分电压。这些放大器也必须具有低值输入失调电压（VOS）漂移（也称之为失调电压温度系数TCVOS）和输入偏置电流，以使得从传感器能精确地读数。放大器A1_A4连接成仪表放大器以达到上述目标。这种配置的电压增益（AV）为：AV=（1+2R2/bR2）(aR1/R1)，其中a和b是确定总增益的比值。
辐射分析仪通道
辐射谱测量来自辐射源的发射能量的分布，辐射源可以是粒子，X射线或γ射线。辐射照到闪光晶体上并发射强度正比于能量的短脉冲。然后由PIN光电二极管把光转换为电流。放大器（见图4）用做首置放大器和PIN光电二极管输出的电流/电压转换器。此电路为用于基本辐射谱的单通道分析仪。信号的脉冲幅度包含重要信息，所以低输入失调电压和低失调电压漂移是重要的。宽带宽为处理脉冲（可窄到几纳秒）提供快速响应。首置放大器输出（VOUT）到脉冲幅充分析仪（如快速ADC）来测量和储存每个峰值发生的数。分布是单个源的光谱。反馈电阻R1值取决于来自PIN光电二极管的最大电流和别ADC的最大输出电压。因此，R1=（Max VOUT）/(Max ISIGNAL)。电容C1用于PIN光电二极管寄生电容的补偿。R2和C2相当于R1和C1用于补偿放大器非倒相输入的输入偏置电流。
热电耦接口电路
热电偶根据两个不同金属线结点之间的温度差提供电压信号。热电偶温度传感器具有一个感测端（金属A/金属B连接端）和一个参考端（金属A和金属B与铜导线连接端）。冷端参考温度与热电偶信号一道进行控制和测量。热电偶具有大约10μV/℃_80μV/℃的小信号电平范围和小的源阻抗。配置成差分放大器的单放大器（图5）把信号放大到ADC输入所需的电平。差分放大器增益为：
ΔV=xR/R
其中x是电阻比，x决定增益。差分配置有助于抑制热电偶线的共模拾取。放大器应具有低失调电压和低失调电压漂移。
信号调理系统的最后级——ADC
信号调理系统的基本目标是尽可能快速、完整和便宜地把模拟传感器数据变换为数字形式，此任务就落在ADC身上。所用ADC的类型由一系列参数决定。这包括所需的分辨率（位数）、速度（数据吞吐率）、ac或dc信号输入、精度（dc和ac）、等待时间（取样周期开始和第一个有效数字输出之间的时间）和电源电平。在输出端（接口到微控制器或数字信号处理器）的重要参数包括串行还并行、处理器的输入电压电平、有效的电源电压和功耗考虑。
大多数信号调理应用采用逐次逼近（SAR）或积分型ADC。这两种ADC能很为地处理dc信号，而SAR型ADC对快速ac信号能提供更为的支持（表2）。SAR转换器是所有ADC中最通用的，这种转换器把高分辨率（高达16位）和高吞吐能力结合在一起。
积分ADC具有长操作时间，这是因为所用转换方法的原因，但通过信号平均使其具有噪音降低的特点。对于中频ac信号，Δ—Σ转换器是最好的选择，因为对这类输入高分辨率和高精度。Δ—Σ转换器分辨率高达24位，但以降低速度为代价，共等待时间非常长。其他两类ADC——流水线和分段ADC是高速器件，非常适合用于转换高频ac信号。（京湘）
表2  ADC特性和应用
ADC类型
DC精度
AC精度
分辨率高
速度
等待时间
应用
注解

SAR
高
高
达16位
低中
无
DC/AC信号
在信号调理应用中
多频良积分
高
低
高于20位
非常低
无
DC信号，低频AC
良好AC抑制，等待时间小，但转换时间很长。用于DC负载应用、称重等
Δ—Σ
低
高
高达24位
低中
非常长
音频/AC
通常用于音频和负载变化分析应用中
流水线
低
高
高达16位
高
中等
AC信号
用于中高频AC信号
分段
低
高
高达16位
高
低
AC信号
用于中、高频AC信号
图1  传感器信号调理系统框图
图2  PH电极缓冲器电路
图3  完整的传感器桥接口电路
图4  典型的辐射分析仪通道
图5  热电偶接口电路