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传感器信号调理电路

日期:2019-04-20 08:17
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摘要:
传感器信号调理电路
信号调理往往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,在变换为数字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。此链路工作的关键是选择运放,运放要正确地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。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。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*好选择。另外,对于应用增益带宽乘积(GBP)是低优先考虑,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。



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。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1MW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。放大器提供轨到轨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**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**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**、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**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)到脉冲幅度分析仪(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*大电流和到ADC的*大输出电压。因此,R1=(MaxVOUT)/(MaxISIGNAL)。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10mV/℃~80mV/℃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:



  AV=xR/R



  其中x是电阻比,它决定增益。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*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**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或并行、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能很好地处理dc信号,而SAR型ADC对快速ac信号能提供更好的支持。SAR转换器是所有ADC中*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低的特点。对于中频ac信号,D-S转换器是*好的选择,因为它们具有高分辨率和高精度。D-S转换器分辨率高达24位,但以降低速度为代价,其等待时间非常长。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。

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