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傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2018-08-03 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文中,我們來(lái)看一些現(xiàn)代模擬電路中用于傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)的最新技術(shù)。隨著對(duì)高精密運(yùn)放需求的不斷增長(zhǎng),自校準(zhǔn)架構(gòu)也日益普及,這種架構(gòu)可連續(xù)地校準(zhǔn)偏移誤差。Microchip公司首席產(chǎn)品營(yíng)銷工程師Kevin Tretter發(fā)現(xiàn),很多領(lǐng)先放大器制造商都用“零漂移”來(lái)表示任何的連續(xù)自校準(zhǔn)架構(gòu),無(wú)論是自動(dòng)穩(wěn)零結(jié)構(gòu),還是斬波穩(wěn)零結(jié)構(gòu)。通常,斬波放大器更適合用于dc或低頻應(yīng)用,而自動(dòng)穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應(yīng)用。
 
現(xiàn)代傳感器能檢測(cè)許多模擬屬性,如溫度、力、壓力、濕度、流動(dòng)、功率等,并將其轉(zhuǎn)換成一定的電壓、電流、電荷輸出。這些輸出或?yàn)樽栊阅M信號(hào), 或?yàn)榧償?shù)字信號(hào), 其大小與對(duì)應(yīng)的環(huán)境激勵(lì)成比例。有些傳感器可自行工作; 還有一些則需要提供電源, 通常是電壓源或電流源形式。很多時(shí)候, 需要對(duì)信號(hào)做單獨(dú)的調(diào)節(jié)或合并, 才能提供有用的電子輸出信號(hào)。
 
Tretter指出,用于零漂信號(hào)調(diào)節(jié)的自動(dòng)穩(wěn)零架構(gòu)包括一個(gè)主放大器和次放大器,主放大器永遠(yuǎn)連到輸入端,而次放大器則不斷修正它們自己的偏移,并將偏移修正值應(yīng)用于主放大器。Microchip公司已在MCP6V01上實(shí)現(xiàn)了這種類型的架構(gòu),其主放大器偏移誤差的修正速度為1萬(wàn)次/s,從而獲得了Microchip稱之為極低的偏移和失調(diào)漂移。
 
斬波穩(wěn)零架構(gòu)也使用一只永遠(yuǎn)與輸入端相連的大帶寬主放大器, 另外有一個(gè)“ 輔助” 放大器, 它使用開關(guān)來(lái)斬?cái)噍斎胄盘?hào), 為主放大器提供偏移校正。例如,Microchip的MCP6V11小功率放大器通過(guò)斬波動(dòng)作最大限度地減少了偏移以及偏移相關(guān)的誤差。
 
雖然內(nèi)部工作方式不同,但自動(dòng)穩(wěn)零和斬波穩(wěn)零放大器都有相同的目標(biāo): 盡量減小偏移以及偏移相關(guān)的誤差。結(jié)果不僅獲得了低的初始偏移, 而且在各個(gè)時(shí)間和溫度下也有低的失調(diào)漂移、極好的共模抑制與電源抑制,并消除了1/f ( 頻率相關(guān))噪聲。
 
斬波架構(gòu)
 
Analog Devices公司應(yīng)用工程經(jīng)理Reza Moghimi指出,很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓,需要一個(gè)高增益和有精確性能(接近于dc)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。這些傳感器的應(yīng)用包括精密電子秤、測(cè)壓元件與橋式換能器、熱電偶/溫差電堆傳感器的接口,以及精密醫(yī)療儀器。
 
用于這些傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)的是非精密放大器, 它們的偏移電壓、失調(diào)漂移電壓, 以及1 / f 噪聲都會(huì)造成誤差, 需要軟件或硬件的校正。Moghimi提供了一個(gè)采用零漂放大器做高精度信號(hào)調(diào)節(jié)的實(shí)例。該放大器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超低偏移電壓與漂移、高開環(huán)增益、高電源抑制比、高共模抑制能力,且無(wú)1/f噪聲,設(shè)計(jì)人員獲得了無(wú)需校正的便利。
 
傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)
 
圖1中的電路是一個(gè)單電源精密電子秤, 它使用了AD7791 ,這是一款小功率帶緩沖的24 位Σ - ΔADC , 還有一只外接的ADA4528- x 零漂放大器。電路已經(jīng)過(guò)了ADI的建立與測(cè)試,具體說(shuō)明見(jiàn)參考文獻(xiàn)1, 在10 mV滿量程輸出下,對(duì)一個(gè)測(cè)重元件可產(chǎn)生15.3 位的無(wú)噪聲編碼分辨率, 并在從9.5Hz~120Hz的整個(gè)輸出數(shù)據(jù)區(qū)間上都能保持良好的性能。
 
電路中的差分放大器包括兩只低噪聲零漂ADA 4528 放大器,它具有1kHz 時(shí)5. 6nV/電壓噪聲密度,0.3μV偏移電壓,0.002μV /失調(diào)電壓漂移,以及分別為158dB和150dB的共模抑制與電源抑制。電路增益等于1+2R1/RG,電容C1、C2與電阻R1、R2并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的低通濾波器將噪聲帶寬限制到4.3Hz,阻止了進(jìn)入Σ - Δ ADC 的噪聲量。C5、R3和R4構(gòu)成一個(gè)截止頻率為8Hz 的差分濾波器, 用于進(jìn)一步限制噪聲。C3 、C4 與R3 、R4共同構(gòu)成截止頻率為159Hz的共模濾波器。
 
傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)
 
另一個(gè)高精度小功率信號(hào)調(diào)節(jié)的例子是圖2中給出的心電圖電路,也在參考文獻(xiàn)2中有說(shuō)明。ECG電路必須工作在一個(gè)差分dc偏移下,因?yàn)殡姌O有半電池電勢(shì)。這個(gè)過(guò)壓的容限通常是±300 mV,但在有些情況下可以為1V或更高。ECG電路中有電源電壓的下降趨勢(shì)及存在這個(gè)較高半電池電勢(shì),限制了可以加在第一級(jí)信號(hào)調(diào)節(jié)上的增益。
 
AD8237架構(gòu)解決這一問(wèn)題的方法是,從輸出端到REF管腳接一個(gè)低頻反相積分器,其擺幅最多為dc偏移,而不是dc偏移與增益的乘積。由于放大器增益加在積分器輸出端,放大級(jí)可以施加高增益,并降低對(duì)系統(tǒng)其余部分的精度要求。這級(jí)放大之后信號(hào)路徑中器件的噪聲與偏移誤差對(duì)整體精度幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。AD8607雙微功耗儀表運(yùn)放用于積分、緩沖與電平轉(zhuǎn)換,電源電流為115μA。圖中未顯示應(yīng)有的去耦部分。
 
零漂軌至軌輸入與輸出儀表放大器可以工作在最小1.8V 電源電壓, 增益漂移為0.5 ppm / ,而失調(diào)漂移電壓為0.2 μV / 。兩只外接電阻可在1 ~1000 區(qū)間內(nèi)設(shè)定增益值。AD 8607 可以滿幅放大共模電壓等于或超出300 mV電源電壓的信號(hào)。
應(yīng)用
 
Microchip公司的Tretter指出,當(dāng)斬波穩(wěn)零放大器首次進(jìn)入市場(chǎng)時(shí),它們具有大開關(guān)電流與布局敏感的特性, 使之既難使用成本又高。因此設(shè)計(jì)者將其局限用于那些性能非常關(guān)鍵的應(yīng)用。自那以后, 工藝技術(shù)與硅設(shè)計(jì)的發(fā)展改善了零漂放大器的可用性, 從而在廣泛的應(yīng)用中找到了用武之地, 包括醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)流量?jī)x表、萬(wàn)用表、高端稱重計(jì), 甚至游戲機(jī)等。很多傳感器通常都排列成一種Wheatstone橋結(jié)構(gòu),如應(yīng)力規(guī)、RTD(電阻溫度檢測(cè)器)和壓力傳感器(圖3),因?yàn)檫@種電路類型提供了出色的靈敏度。即使在一個(gè)Wheatstone橋結(jié)構(gòu)中使用了多只傳感器, 輸出電壓的總變化也相對(duì)較小,通常在毫伏區(qū)間。由于信號(hào)幅度小,一般需要一個(gè)增益級(jí),然后再通過(guò)ADC將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。Tretter稱,零漂放大器是這類應(yīng)用的一個(gè)上佳選擇,因?yàn)樗懈咴鲆婧妥畹偷脑肼暋?/div>
 
傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)
 
IA設(shè)計(jì)考慮
 
Touchstone半導(dǎo)體公司營(yíng)銷與應(yīng)用副總裁Adolfo A Garcia指出,當(dāng)電源電壓低(<3V),并且可選自完備IA(儀表放大器)有限時(shí),設(shè)計(jì)自己的IA最為簡(jiǎn)單直接,只需要了解運(yùn)放的輸入輸出dc特性與電路結(jié)構(gòu)。構(gòu)建儀表運(yùn)放有兩種很常見(jiàn)的結(jié)構(gòu),分別采用兩只和三只運(yùn)放。
 
傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)
 
圖4給出了兩種運(yùn)放結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用單電源軌至軌的小功率運(yùn)放時(shí),主要的選擇考慮(根據(jù)應(yīng)用情況)包括:dc特性,如VOS、TCVOS、AVOL(MIN)、IOS、VOH(MIN)和VOL(MAX),以及ac特性,如放大器輸入相關(guān)噪聲與帶寬。最大輸出動(dòng)態(tài)范圍與應(yīng)用無(wú)關(guān),是實(shí)現(xiàn)最高電路性能的關(guān)鍵。據(jù)Garcia稱,輸出級(jí)能提供最寬動(dòng)態(tài)范圍的單電源運(yùn)放是最佳選擇,因?yàn)楸苊饬朔糯笃鬏敵黾?jí)飽和問(wèn)題。
 
注意圖4電路傳輸方程中的基準(zhǔn)電壓項(xiàng)(VREF)。為避免AMP1的輸出飽和,儀表放大器的輸出信號(hào)的測(cè)量必須針對(duì)VREF。在一個(gè)3 V (或更低電壓)的系統(tǒng)中,如要電路有最大的動(dòng)態(tài)范圍,并避免輸出級(jí)的飽和問(wèn)題,只要簡(jiǎn)單地將VREF設(shè)為電源的一半就足夠了。不過(guò)Garcia發(fā)現(xiàn),只有所選運(yùn)放的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格相對(duì)其電源數(shù)據(jù)對(duì)稱時(shí),這個(gè)方法才是有效的。
 
傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)
 
在式2中,是IA電路上所加的最大差分輸入電壓。如果所需增益是一個(gè)已知的電路參數(shù),則可以重新排列式中的相應(yīng)項(xiàng),以確定為防止輸出級(jí)飽和而能給電路施加的最大輸入差分電壓。
 
為了以最小功率運(yùn)行,電路中使用的電阻應(yīng)為100kΩ或更大,具體要看噪聲和帶寬設(shè)計(jì)方面的考慮。另外要指出的是,運(yùn)放的VOH(MIN)和VOL(MAX)電壓規(guī)格很大程度上由放大器輸出級(jí)負(fù)載所決定,因此要注意負(fù)載電阻的情況。
 
 
有一個(gè)實(shí)際例子,選擇的是一只TS1002 雙0.6μA運(yùn)放,構(gòu)造了一個(gè)增益為10的雙運(yùn)放IA,它的工作電源為2.5V。TS1002在100kΩ負(fù)載下的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格分別為2.498V和0.001V 。使用式1, VREF等于(2.498V+ 0.001V)/2=1.249V,輸出級(jí)被偏置在最大輸出動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),避免了輸出級(jí)飽和。在上述增益10情況下,為避免輸出級(jí)飽和而施加的最大差分輸入電壓為:(2.498V+0.001V)/(2×10),約125mV。
 
傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù) 
 
對(duì)三運(yùn)放I A 結(jié)構(gòu)可以做一個(gè)類似的分析( 圖5) 。同樣, 省略對(duì)三運(yùn)放IA以及前述項(xiàng)的嚴(yán)謹(jǐn)全電路分析,雙運(yùn)放IA的結(jié)果也很好地適用在這里,即,為獲得最大動(dòng)態(tài)范圍,輸出基準(zhǔn)電壓要設(shè)定在AMP1和AMP2的輸出電壓擺幅的中間(式1)。
電路增益的表達(dá)式與雙運(yùn)放IA形式相同(式2)。測(cè)得的電路輸出電壓是針對(duì)VREF,VREF設(shè)計(jì)在AMP1 和AMP2的輸出電壓擺幅中間;而可以加給三運(yùn)放IA的最大差分輸入電壓則由式2決定。
 
另一個(gè)實(shí)際例子中,設(shè)計(jì)者采用了一只Touchstone半導(dǎo)體公司的TS10040.6μA四運(yùn)放,搭建一個(gè)2.5V電源、增益為50的三運(yùn)放IA。從TS1004的數(shù)據(jù)表中可查到其在100kΩ負(fù)載時(shí)的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格分別為2.498V和0.001V。用式1,輸出級(jí)由一個(gè)為(2.498V+0.001V)/2=1.249V的VREF偏置, 以獲得最大輸出動(dòng)態(tài)范圍, 避免輸出級(jí)的飽和。在所述50 增益時(shí), 為避免輸出級(jí)飽和而能夠施加的最大差分輸入電壓為( 2.498V + 0.001V )/( 2×50 ),約25mV。
 
能量采集
 
凌利爾特公司電源產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)TonyArmstrong描述了用可再生能源為遠(yuǎn)程無(wú)線結(jié)點(diǎn)供電的情況,只要有正確的采集、電源管理與電池充電設(shè)備,就可以高效地獲得能源(見(jiàn)附文:“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集更多真實(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)于更多公用事業(yè)設(shè)施”)??稍偕茉凑跒槟茉崔D(zhuǎn)換和現(xiàn)有能源的更高效使用提供廣泛的機(jī)會(huì),也為能源采集器件提供了一個(gè)機(jī)會(huì),幫助為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供電能。這些無(wú)線傳感器已普遍用于樓宇自動(dòng)化和前瞻性維護(hù)應(yīng)用。
 
Armstrong指出,能源采集的傳統(tǒng)方式是通過(guò)太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī),但新出現(xiàn)的能源采集工具能夠從各種環(huán)境源中產(chǎn)生電能。例如,熱電發(fā)電機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為電能,壓電元件轉(zhuǎn)換機(jī)械振動(dòng),光伏電池轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光(或任何光子源),而電化法是從濕度獲得能量。這樣就能夠?yàn)檫h(yuǎn)處的傳感器提供電源,或?yàn)槟撤N存儲(chǔ)設(shè)備充電,如電容或薄膜電池。于是,遠(yuǎn)方地點(diǎn)的微處理器或發(fā)射器就有電能供應(yīng),而無(wú)需在當(dāng)?shù)卦O(shè)立電源。
 
傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)
 
凌利爾特公司的能源采集產(chǎn)品提供了各種解決方案(表1)。各系列產(chǎn)品的規(guī)格各不相同,但該公司大力宣傳的是小于6μA、最低可至450nA的典型靜態(tài)電流,起動(dòng)電壓低至20mV,輸入電壓能夠達(dá)到連續(xù)34V,40V瞬態(tài),還能處理交流輸入,具有多輸出能力和自動(dòng)的系統(tǒng)電源管理功能,自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換,對(duì)太陽(yáng)能輸入的最高功率點(diǎn)控制,可從小到1度溫差中獲取能源的能力,以及緊湊的解決方案體積。
 
由于太陽(yáng)能的功率是變化不定的,幾乎所有太陽(yáng)能供電設(shè)備都要使用可充電電池。顯然,其目標(biāo)是獲得盡可能多的太陽(yáng)能源,為這些電池快速充電,以維持它們的充電狀態(tài)。
 
雖然太陽(yáng)能電池天生就是轉(zhuǎn)換效率低的設(shè)備,但它們也有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn),因此在這個(gè)點(diǎn)上工作就是一個(gè)明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)。Armstrong發(fā)現(xiàn),問(wèn)題是最大輸出功率的IV特性會(huì)隨光照而改變。單晶硅太陽(yáng)能電池的輸出電流與光強(qiáng)度成正比,而在最大功率輸出時(shí)的電壓卻相對(duì)恒定。確定光強(qiáng)度下的最大功率輸出發(fā)生在每個(gè)曲線的拐點(diǎn)處,此時(shí),太陽(yáng)電池從一個(gè)恒壓設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)恒流設(shè)備(圖6)。
 
傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)
 
因此,一個(gè)能從太陽(yáng)能板高效獲得能量的充電器設(shè)計(jì),必須能在光照水平無(wú)法滿足充電器滿功率需求時(shí),將太陽(yáng)能板的輸出電壓控制在最大功率點(diǎn)。凌利爾特公司針對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用的LT3652多化學(xué)種類2A電池充電器采用了一個(gè)輸入穩(wěn)壓回路,通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓網(wǎng)絡(luò),當(dāng)輸入電壓跌到一個(gè)預(yù)設(shè)的電平以下時(shí),會(huì)減小充電電流。當(dāng)用太陽(yáng)能板供電時(shí),輸入穩(wěn)壓回路可將太陽(yáng)能板維持在接近峰值輸出水平。
集成的AFE方案
 
完整的傳感器解決方案需要解決傳感器驅(qū)動(dòng)與輸出需求、采樣速率、信號(hào)路徑校正、性能、傳感器診斷,以及功耗需求等問(wèn)題。簡(jiǎn)化開發(fā)周期以及減少開發(fā)時(shí)間,可能意味著更快地進(jìn)入市場(chǎng),每年做出更多的設(shè)計(jì)。不過(guò), 大多數(shù)現(xiàn)行方案只解決了其中少數(shù)問(wèn)題, 用分立元件開發(fā)既耗時(shí)又復(fù)雜。
 
德州儀器公司的可配置傳感器AFE ( 模擬前端) IC 與WebenchSensor AFE Designer是一個(gè)集成化軟硬件開發(fā)平臺(tái)的組成部分,工程師可以用它來(lái)選擇傳感器, 設(shè)計(jì)并配置解決方案, 然后幾分鐘之內(nèi)就能下載配置。工程師可以在線或在工作臺(tái)上立即評(píng)估整個(gè)信號(hào)路徑解決方案。
 
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在食品加工、水質(zhì)量管理以及化學(xué)處理等行業(yè)的精確pH值測(cè)量中面臨著一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn), 包括極端溫度變化、高輸出阻抗、偏移以及漂移等。TI稱它的LMP91200可配置AFE提供了一個(gè)集成pH傳感器的AFE電路,可與所有現(xiàn)有pH傳感器連接,是傳感器與微處理器之間的橋梁( 圖7),它以一個(gè)集成化的小尺寸解決了這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
 
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另外, TI 的LMP91050NDIR( 非分光紅外) 氣體檢測(cè)AFE 也支持多個(gè)溫差電堆傳感器,用于NDIR檢測(cè)、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、按需控制的通風(fēng)、HVAC、飲酒呼氣分析、溫室氣體監(jiān)測(cè), 以及氟里昂檢測(cè)等(圖8)。
附文:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集更多真實(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)于更多公用事業(yè)設(shè)施
 
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)( WSN )正在改變信息收集的方式,使我們更容易從現(xiàn)實(shí)世界獲取更多的數(shù)據(jù)。部署一個(gè)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本通常是傳感器本身成本的10~10 0 倍。據(jù)凌利爾特公司塵埃網(wǎng)產(chǎn)品部集團(tuán)總裁Joy Weiss稱,WSN的實(shí)際價(jià)值在于,你可以把一只傳感器放到任何地方,不僅是已經(jīng)有電源線和通信線路的地方,還包括任何想要測(cè)量或?yàn)橐粋€(gè)系統(tǒng)增加控制點(diǎn)的地方。
 
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Weiss舉了下面這些因WSN而實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用例子:
 
Vigilent根據(jù)其M3閉路控制技術(shù),提供智能能源管理系統(tǒng),用于數(shù)據(jù)中心、電信公司以及大型商用建筑。為了收集整個(gè)數(shù)據(jù)中心必要的溫度和濕度數(shù)據(jù),傳感器要做廣泛和高密度的分布。然而,對(duì)數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō),對(duì)通信布線和電源布線做翻新是不現(xiàn)實(shí)的,成本高昂。Vigilent采用無(wú)線傳感器結(jié)點(diǎn)解決了這些問(wèn)題。Vigilent為自己的產(chǎn)品選擇了凌利爾特公司的DustNetworks SmartMesh解決方案,認(rèn)為它是低功耗、高可靠性和強(qiáng)大安全性的關(guān)鍵成功要素。
 
Emerson Process Management幫助實(shí)現(xiàn)化學(xué)品、油氣、煉油、紙漿造紙、電力、水與廢水處理、金屬采礦、食品飲料、生命科學(xué)以及其它行業(yè)的生產(chǎn)、加工和配送的自動(dòng)化。Emerson的Smart Wireless產(chǎn)品與解決方案基于IEC 62591無(wú)線標(biāo)準(zhǔn),采用了凌利爾特/Dust的SmartMeshWirelessHART產(chǎn)品,擴(kuò)展了預(yù)測(cè)智能,超出了以前的物理與經(jīng)濟(jì)性范圍。
 
Streetline為城市、車庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、大學(xué)以及其它泊車商提供智能泊車解決方案(如圖所示),目標(biāo)是通過(guò)采用傳感器的移動(dòng)與Web應(yīng)用,使智能城市成為現(xiàn)實(shí)。Streetline需要一個(gè)足夠強(qiáng)健的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案,它能在嚴(yán)酷和動(dòng)態(tài)變化的街面情況下工作,街道可能既廣又密,可能數(shù)年時(shí)間不能更換電池。Streetline的智能泊車解決方案在一個(gè)覆蓋整個(gè)好萊塢/洛杉磯區(qū)的無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中采用了凌利爾特/Dust的SmartMesh技術(shù)。人行道里預(yù)埋的無(wú)線傳感器可跟蹤空出來(lái)的泊車位,然后將信息以無(wú)線方式發(fā)送給智能手機(jī)用戶。
 
 
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