如何從您喜愛的傳感器中獲取數(shù)據(jù)

如今，傳感器無處不在。我們的智能手機和平板電腦都裝有它們。我們的汽車有溫度傳感器、圖像傳感器和壓力傳感器。我們的家庭環(huán)境變得越來越精明。傳感器測量各種不同的模擬現(xiàn)象。傳感器輸出模擬值后，下一步是將信號轉(zhuǎn)換為可用格式。什么樣的信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換最好？本文將探討這些問題。

如今，傳感器似乎無處不在。智能手機和平板電腦都裝有它們。汽車具有溫度傳感器，高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），傳感器和視頻的混合以及許多其他類型。甚至家用恒溫器也變得越來越精明。

傳感器正在測量各種不同的模擬現(xiàn)象：

我們手機上的接近傳感器會關(guān)閉顯示屏。

光傳感器調(diào)整背光。

空氣、化學(xué)品和水流量傳感器遍布我們的城市管道，以調(diào)節(jié)我們的供水。

煉油廠的化學(xué)傳感器監(jiān)測腐蝕和侵蝕。

當(dāng)?shù)匚⑿推【茝S的溫度、液位和其他環(huán)境傳感器可確保您擁有最喜愛的歡樂時光。

傳感器輸出模擬值后，下一步是將信號轉(zhuǎn)換為可用格式。這是怎么回事呢？什么樣的信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換最好？本應(yīng)用筆記解決了這些問題。

對于上述所有傳感器，模擬信號可能會有所不同。一些傳感器，如pH/化學(xué)傳感器，提供高阻抗輸出。許多其他器件提供非常小/低電平的信號，很難從中提取噪聲的真實信息。其他的，如熱電偶，產(chǎn)生非線性信號，每種類型的熱電偶都不同。讓我們考慮每種傳感器。

低電平電壓信號

壓力是世界上受到監(jiān)控最多的信號之一。惠斯通電橋等壓力傳感器用于許多工業(yè)應(yīng)用。例如，雜貨店的壓力傳感器稱量午餐肉，但它們也可以用于倉庫傳送帶內(nèi)的動態(tài)秤，其中高精度和寬動態(tài)范圍更為關(guān)鍵。

橋式傳感器的一個示例如圖1所示，其中產(chǎn)生的輸出電壓在+V之間外和 -V外這取決于激勵電壓差（+Exc - -Exc）和對可變電阻的影響。橋式傳感器通常輸出非常小的電壓，通常為幾毫伏。典型的壓縮范圍為 1000：1，其中 1V 激勵電壓差在兩個輸出之間產(chǎn)生 1mV 的最大范圍。可以增加激勵電壓，但代價是消耗更多功率。

圖1.惠斯通電橋提供輸出電壓（+V外- -V外）取決于激勵電壓和壓縮和拉伸電阻的物理變化。

在上面的示例中，1mV的最大范圍不能提供非常大的動態(tài)范圍來從本底噪聲中獲取目標(biāo)信號，本底噪聲通常以微伏或數(shù)十微伏為單位。

幾乎所有電橋式傳感器后面都有一個帶增益級的放大器或一個可編程增益放大器（PGA）。為了將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字字，PGA通常后跟一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。大多數(shù)ADC提供3V或5V的最大輸入范圍，因此將1mV橋式傳感器信號放大到使用ADC全部（或更多）可用電壓范圍是合乎邏輯的選擇。

一些模擬公司，如Maxim Integrated，提供獨立的放大器，可配置外部電阻或數(shù)字電位計以獲得放大器增益。其中許多公司還提供PGA，可以配置一系列數(shù)字輸入或SPI接口。

根據(jù)所需的精度和有效位數(shù)（ENOB），集成PGA的Σ-Δ型ADC通常是當(dāng)今的最佳選擇。集成PGA的Σ-Δ型ADC的數(shù)量在過去10年中大幅增長。其中許多是16位或24位Σ-Δ型ADC。集成的ADC和PGA允許對電路進行優(yōu)化，以實現(xiàn)盡可能低的噪聲。

讓我們回到倉庫輸送帶秤。這些倉庫的貨物運輸速度越快，其吞吐量和利潤率就越高。能夠在從一個站點移動到下一個站點的同時動態(tài)測量包裹重量變得越來越普遍。由于這些倉庫要運送一系列貨物（任何輕量級的東西，如兒童玩具，如沙發(fā)），放大器和ADC需要寬動態(tài)范圍和低噪聲。在本例中，還需要采樣速率相對較快的ADC。

MAX11270集采樣速率（用于電子秤）、寬動態(tài)范圍和低噪聲于一身。最大采樣率為 64ksps。PGA的噪聲電平為6.5nV/

，這是MAX11270在1ksps采樣速率下能夠?qū)崿F(xiàn)21.0有效位數(shù)的一個重要原因。這實際上意味著MAX11270及其PGA和ADC可以分辨221量程，這意味著任何縮小傳送帶的包裹都被快速準(zhǔn)確地稱重。

高阻抗化學(xué)傳感器

在過程控制等應(yīng)用中，化學(xué)傳感器對于將成分混合保持在正確的水平至關(guān)重要。微型啤酒廠對大多數(shù)人來說很容易想象。在釀造過程中，成分的混合是消費者可重復(fù)（和令人愉悅）口味的重要組成部分。

測量pH值的傳感器通常用于過程控制。它們具有高阻抗電極信號輸出。將這種阻抗信號轉(zhuǎn)換為更容易測量的信號是使用具有非常小輸入偏置電流的放大器完成的。將傳感器的阻抗乘以放大器的偏置電流，可以得到很大一部分誤差預(yù)算。偏置電流越大，傳感器誤差越大。

對于化學(xué)傳感器，需要皮安甚至飛安量級的輸入偏置電流，以減少總誤差。在這里，有必要深入研究數(shù)據(jù)手冊并確認(rèn)應(yīng)用所需的溫度范圍。

MAX44242為低輸入偏置電流運算放大器。雖然其輸入偏置電流不如其他JFET放大器低，但比許多其他放大器低幾個數(shù)量級。圖2給出了MAX44242的輸入偏置電流規(guī)格。對于輸入偏置電流等規(guī)格，了解應(yīng)用的溫度范圍至關(guān)重要。

回到微型啤酒廠的例子，如果化學(xué)反應(yīng)通常在室溫下發(fā)生，系統(tǒng)設(shè)計人員可以假設(shè)最大輸入偏置電流約為0.5pA。如果化學(xué)品在高溫下混合，輸入偏置電流在85°C時增加到10pA，在125°C時增加到50pA。

圖2.MAX44242輸入偏置電流的電氣特性顯示電流隨溫度的增加而增加。

有關(guān)關(guān)鍵放大器規(guī)格（如輸入偏置電流、輸入失調(diào)電壓、放大器類型和溫度對所有這些規(guī)格的影響）的更深入說明，請參閱教程717：運算放大器輸入。

通信和數(shù)據(jù)中心設(shè)計

接下來，讓我們考慮設(shè)計用于基站或數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用的復(fù)雜印刷電路板。這些板每一代都繼續(xù)消耗更高的功率，同時也試圖擠入更小的空間。高速處理器、ASIC 和 FPGA 正在以千兆赫的速率將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)角д缀掌?。?shù)據(jù)速率越快，功耗就越高，從而轉(zhuǎn)化為熱量。

隨著每一代人的到來，測量溫度變得越來越重要。基站和數(shù)據(jù)中心設(shè)計人員測量溫度的方法有很多種。一些ASIC或FPGA包括內(nèi)部溫度傳感器。有些包括輸出模擬信號的熱二極管。在其他情況下，電路板設(shè)計人員會在這些高功率數(shù)字IC周圍添加自己的外部溫度傳感器。

如果系統(tǒng)設(shè)計人員想要選擇外部溫度傳感器，有許多不同的選擇，包括帶模擬輸出、數(shù)字輸出或溫度開關(guān)的IC。

封裝的選擇也提供了另一種程度的靈活性。雖然大多數(shù)溫度傳感器都是表面貼裝封裝，例如SOIC或SOT23，但也有一些選項可以將溫度傳感器從電路板上移開，以獲得更準(zhǔn)確的空氣溫度表示。

圖3和圖4包括一個板外溫度傳感器的示例。DS18B20采用3引腳TO-92封裝。為什么需要板外溫度傳感器？由于PCB外殼越來越薄，散熱器阻礙了氣流，翻蓋越來越小。在大型處理器、ASIC 或 FPGA 旁邊安裝表面貼裝溫度傳感器封裝可能會導(dǎo)致氣流受阻，并且溫度結(jié)果與電路板上的另一點差異很大。在大功率IC旁邊了解電路板溫度有兩種爭論，盡管PCB層中的熱量可能會扭曲溫度讀數(shù)。

將DS18B20放在電路板上可獲得更準(zhǔn)確的空氣溫度讀數(shù)。引線可以夾到所需的高度。許多復(fù)雜的基站和數(shù)據(jù)中心板設(shè)計人員在輸入端放置一個DS18B20來測量進氣，在氣流輸出端放置另一個DS18B20來了解排氣溫度。這為電路板設(shè)計人員了解可能具有許多不同局部熱點的復(fù)雜電路板上的溫差奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖3.復(fù)雜處理器/ASIC 板示例使用帶引線的溫度傳感器來測量進氣和排氣之間的溫差。

圖4.DS18B20溫度傳感器使用電源、接地和1線接口來獲取溫度數(shù)據(jù)。

結(jié)論

我們周圍的模擬信號始終存在，因為可用傳感器的增加使工程師們無所不在且更容易。仍然存在的一個挑戰(zhàn)是準(zhǔn)確讀取這些傳感器并提取其數(shù)據(jù)。目標(biāo)是從噪聲、電路板寄生效應(yīng)和物理屏障中獲取“真實”數(shù)據(jù)。要做到這一點，需要對濾波器、放大器和溫度傳感器的信號調(diào)理有一定的了解。然后，您可以添加ADC并將數(shù)據(jù)放入數(shù)字域，公眾認(rèn)為所有魔術(shù)都會發(fā)生。

審核編輯：郭婷