在工業(yè)測(cè)量中如何提高成本和效率的精度

骯臟，嘈雜，凌亂的工業(yè)工廠環(huán)境似乎是人們期望找到高科技的最后一個(gè)地方。現(xiàn)代工廠環(huán)境中遇到的無限種材料的壓力，溫度或流量等世界各種功能，包括水，石油，油漆，果汁，面包面團(tuán)或鋼材，都需要在極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中達(dá)到令人驚訝的測(cè)量精度水平 - 不斷提高對(duì)更高精度的要求，以提高成本和效率，并減少對(duì)環(huán)境的影響。

首先，考慮到由于周圍環(huán)境的影響，許多傳感器技術(shù)實(shí)際上提供的總體測(cè)量精度低于0.1％，這是由于它們自身的物理特性和誤差。熱電偶和光電傳感器的非線性，稱重傳感器蠕變，應(yīng)變計(jì)偏移漂移以及其他誤差源都會(huì)使偏移處的測(cè)量值降低。此外，觀察到大多數(shù)流行的傳感器技術(shù)在輸出端提供僅幾分之一伏的輸出（熱電偶或應(yīng)變計(jì)中的數(shù)十mV，激勵(lì)電壓為10 V或更低），并且它們的尺寸?。▽?duì)于快速響應(yīng)時(shí)間，小尺寸和對(duì)被測(cè)介質(zhì)的最小影響，導(dǎo)致非常高的阻抗（接近零電流），或者對(duì)通過傳感器的偏置電流引起的偏移誤差的高靈敏度。最后，觀察一下，在大多數(shù)情況下，過程本身的物理布置帶來了許多挑戰(zhàn)，包括導(dǎo)致電氣干擾的長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度，由于所涉及的環(huán)境而導(dǎo)致的包裝困難，當(dāng)然還有上述骯臟，嘈雜的工廠混亂地板上裝有電機(jī)，螺線管，接觸器，交流加熱器等。

如果我們希望在這種環(huán)境中保持傳感器的準(zhǔn)確性，我們必須考慮到各種誤差產(chǎn)生因素的影響。它們包括工作溫度范圍，在100°C的范圍內(nèi)，因此需要仔細(xì)的溫度補(bǔ)償。由于偏置電流導(dǎo)致連接器上的電壓降和長(zhǎng)引線長(zhǎng)度（包括雙金屬界面處的熱電效應(yīng)）和感應(yīng)噪聲的偏移誤差通過利用諸如雙線，差分傳感和比率電路配置的技術(shù)來解決，這些技術(shù)利用了精心設(shè)計(jì)的測(cè)量電路的CMRR（共模誤差抑制比）。還必須考慮電源變化，要求電路設(shè)計(jì)為提供高PSRR（電源誤差抑制比）。

圖1：典型的工業(yè)壓力傳感器電路。

設(shè)計(jì)人員必須完成的數(shù)值分析和關(guān)鍵誤差預(yù)算，以便可靠地實(shí)現(xiàn)所需的總體測(cè)量精度，這與我們?cè)诖颂幱懻撨^的因素相當(dāng)。但是，他有許多技術(shù)可以解決這些錯(cuò)誤，包括上面提到的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，以及校正和校準(zhǔn)技術(shù)，它們利用高分辨率A/D轉(zhuǎn)換來執(zhí)行軟件校準(zhǔn)，并存儲(chǔ)校正系數(shù)。非易失性存儲(chǔ)器。仔細(xì)選擇傳感器緩沖放大器，電壓基準(zhǔn)和A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)于實(shí)現(xiàn)我們一直在討論的測(cè)量精度至關(guān)重要，并且定期繼續(xù)出現(xiàn)提高測(cè)量精度的現(xiàn)有技術(shù)的新解決方案。這些器件擴(kuò)展了最先進(jìn)技術(shù)的能力，包括設(shè)計(jì)，布局和測(cè)試技能，以及實(shí)現(xiàn)這一性能水平所需的先進(jìn)混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝。

從傳感器開始，我們可以看到第一個(gè)接口的性能是設(shè)計(jì)中最重要的部分，因?yàn)樗枰獜拿舾械牡碗娖叫盘?hào)中獲得最佳效果。然后將該信號(hào)傳送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入端，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器被要求將放大器的輸出數(shù)字化為所需的分辨率，并且希望精確。雖然精密ADC的精度規(guī)格 - 在完美條件下從臺(tái)架和ATE測(cè)試中獲得 - 是一個(gè)最佳案例目標(biāo)，但實(shí)際上有許多錯(cuò)誤來源需要處理，而這個(gè)最具挑戰(zhàn)性的設(shè)備展示了藝術(shù)的巔峰混合信號(hào)設(shè)計(jì)和過程。此外，我們必須記住任何ADC測(cè)量?jī)H與連接到它的參考電壓一樣準(zhǔn)確，因此要求信號(hào)源至少與傳感器本身一樣穩(wěn)定且無噪聲。很容易理解為什么這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者在他們的設(shè)計(jì)中往往不同尋常地不妥協(xié)，只有當(dāng)他們確信他們的第一次努力已被證明超出他們的系統(tǒng)需求時(shí)才能偷工減料。

在低噪聲，高精度放大器中，過去幾年出現(xiàn)了“零漂移”這一術(shù)語，作為描述器件各個(gè)誤差規(guī)范的整體精度水平的一種方法 - 初始值和漂移包括時(shí)間和溫度 - 每個(gè)都在典型應(yīng)用中引入與總測(cè)量值大致相同的誤差幅度。 Vos，或輸入失調(diào)電壓以及相關(guān)的漂移是精密放大器的首要考慮因素，前沿?cái)夭ǚ€(wěn)定的ISL28134能夠快速展示出卓越的性能，保證了2.5μV的偏移量，在此產(chǎn)品領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。 TCVOS（漂移）僅為每攝氏度15 nV，而LTD（長(zhǎng)期漂移）低于本底噪聲，這絕對(duì)是一個(gè)值得認(rèn)真對(duì)待的設(shè)備。輸入偏置電流為120 pA，在0.1 Hz和10 Hz之間僅有250 nV噪聲 - 對(duì)于許多類型的高精度，高阻抗傳感器而言非常出色 - 我們可以看到，我們擁有一個(gè)真正強(qiáng)大的解決方案，值得考慮進(jìn)行高端設(shè)計(jì)。

圖2：ISL28134輸入電壓噪聲密度。

圖3：ISL2813x系列長(zhǎng)期漂移。

同樣，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的第一個(gè)事實(shí)是ADC只能用于進(jìn)行測(cè)量的電壓基準(zhǔn)（除非我們運(yùn)行如上所述的比例式布置），因?yàn)檗D(zhuǎn)換實(shí)際上是對(duì)比之間的比較。兩個(gè)電壓。引領(lǐng)精密市場(chǎng)的是新的ISL21090，這是一種新的參考，它首次為市場(chǎng)帶來了總誤差水平（初始值，偏移漂移，線路和負(fù)載調(diào)節(jié)，噪聲和長(zhǎng)期漂移之和），它滿足最高分辨率應(yīng)用的需求。該特定設(shè)備的業(yè)界領(lǐng)先性能引起了極大的關(guān)注，包括作為2011年度EN-Genius產(chǎn)品的認(rèn)可，證實(shí)了Intersil越來越關(guān)注精密模擬解決方案 - 并取得了成功。該設(shè)備是Intersil最先進(jìn)的PR40高級(jí)雙極過程的展示。 PR40工藝在鍵合的絕緣體上硅（BSOI）襯底上制造，并使用深溝槽隔離（DTI）來構(gòu)建具有完全電介質(zhì)隔離的器件。該工藝采用核心 - 雙極性基礎(chǔ)和可選的器件模塊，可根據(jù)需要添加，以促進(jìn)特定產(chǎn)品的低成本制造。

圖4：ISL21090電壓噪聲。

將注意力轉(zhuǎn)向A/D轉(zhuǎn)換器，為獲得最高的測(cè)量精度，使用過采樣，通常稱為Delta-Sigma ADC。返回我們的0.1％傳感器精度指南，相當(dāng)于10位精確測(cè)量。在100度溫度范圍的產(chǎn)品中可以看到誤差預(yù)算的粗略計(jì)算，偏移誤差是傳感器信號(hào)的兩倍到10倍，共模噪聲和10 mVFS信號(hào)之上的一伏特或更高的漂移我們希望我們的前端放大器的100 dB CMRR能夠消除。很容易理解為什么設(shè)計(jì)人員會(huì)期待A/D轉(zhuǎn)換器提供額外的測(cè)量分辨率，以便去除軟件中可重復(fù)的系統(tǒng)誤差源。高流量控制環(huán)路（典型的工業(yè)電路）采用12至16位ADC，運(yùn)行速率為125 kSPS至1 MSPS，以完成工作。測(cè)量重量和溫度等緩慢變化的最高精度，低頻率應(yīng)用，包括認(rèn)證交易秤或高容量工業(yè)設(shè)備，可通過軟件校準(zhǔn)方法尋找20位無噪聲分辨率，以達(dá)到其測(cè)量目標(biāo)。

Intersil重新開始專注于低噪音工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)換器，為設(shè)計(jì)技能提供了極好的證明。 ISL26132和ISL26134，低噪聲24位Delta-Sigma ADC具有2或4通道輸入，具有極低噪聲PGA（10 SPS時(shí)為10.2 nV/rt-Hz），可實(shí)現(xiàn)高達(dá)21.6 bit的無噪聲分辨率，可通過易于使用的串行數(shù)字接口訪問。該設(shè)備可立即升級(jí)到稱重秤和溫度測(cè)量系統(tǒng)中的現(xiàn)有設(shè)計(jì)，無需修改。正如您在圖5中所看到的，如此低的零件數(shù)量，可靠地實(shí)現(xiàn)如此高水平的測(cè)量精度從未如此簡(jiǎn)單。

圖5：稱重應(yīng)用示例。

回顧困難的工業(yè)環(huán)境的需求，Intersil重新關(guān)注Precision Analog的價(jià)值以及由此產(chǎn)生的最新產(chǎn)品的卓越性能顯而易見。隨著前沿解決方案不斷增加，未來的產(chǎn)品無疑將繼續(xù)展現(xiàn)出這一重點(diǎn)。