本設(shè)計指南闡述了常見傳感器變送器的信號鏈路，適用于壓力、溫度、電流、光信號檢測以及接近檢測。文章介紹了信號通道錯綜復(fù)雜的選擇，其中給出的設(shè)計案例和原理框圖有助于讀者選擇最佳器件，以滿足系統(tǒng)的不同需求。

壓力傳感器和稱重(加載/感應(yīng))

概述

在現(xiàn)代工業(yè)控制和系統(tǒng)監(jiān)測領(lǐng)域，通常需要監(jiān)測、測量壓力和重量。由于壓力可直接用來測量流體、高度及其它物理量，壓力測量尤其重要。由于加載是影響傳感器輸出的一項屬性，壓力、重量測量裝置可以看作是“加載傳感器”。加載傳感器的應(yīng)用非常廣泛，包括從真空計到重型機械稱重，以及工業(yè)液壓設(shè)備、絕對壓力傳感器(MAP)等各個領(lǐng)域。每種應(yīng)用對精度、準(zhǔn)確度和成本都有不同的具體需求。



雖然壓力和重量(加載/感應(yīng))的測量方法和技術(shù)有許多，但最常用的測量裝置是應(yīng)力計。

最常見的應(yīng)力計有兩種：一種是重量/壓力傳感器大多采用的金屬箔；另一種是基于半導(dǎo)體的壓阻式傳感器，廣泛用于壓力測量。相對于金屬箔傳感器，壓阻式傳感器靈敏度更高，線性度也更好，但容易受溫度的影響，并有一定的初始偏差。

從原理上講，所有應(yīng)力計在受到外力時都會改變電阻值。因此，有電信號激勵時，即可有效地將壓力、重量轉(zhuǎn)換成電信號。通常在惠斯通電橋(有時稱為測壓元件)上放置1個、2個或4個這樣的有源電阻元件(應(yīng)力計)，從而產(chǎn)生與壓力或重量對應(yīng)的差分輸出電壓。

工程師可以設(shè)計一種能夠滿足多種加載/感應(yīng)系統(tǒng)需求的傳感器模塊。一款成功的設(shè)計需要包括用于檢測物理量的傳感器元件和設(shè)計合理的信號鏈路。


加載/感應(yīng)系統(tǒng)的信號鏈路框圖。關(guān)于Maxim推薦的壓力傳感器方案的詳細(xì)信息，請訪問：china.maxim-ic.com/psi。

完備的信號鏈路方案

傳感器信號鏈路必須能夠處理帶有噪聲的弱信號。為了準(zhǔn)確測量電阻式傳感器輸出電壓的變化，電路必須具備以下功能：激勵、放大、濾波和采集。有些解決方案可能還要求采用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)對信號進(jìn)行處理、誤差補償、數(shù)字放大以及用戶可編程操作。

激勵

具有極低溫漂的高精度、穩(wěn)定的電壓或電流源常常用作傳感器激勵。傳感器輸出與激勵源成比例(往往以mV/V表示)。因此，設(shè)計時，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和激勵電路通常采用一個公共基準(zhǔn)，或者將激勵電壓作為ADC的基準(zhǔn)。可以利用附加的ADC通道精確測量激勵電壓。

傳感器/電橋

信號鏈路的這部分功能包括應(yīng)力傳感器，它被放置在測壓元件(惠斯通電橋設(shè)計)部分，如上文中的“概述”部分。

放大和電平轉(zhuǎn)換—模擬前端(AFE)

有些設(shè)計中，傳感器輸出電壓范圍非常小，要求分辨率達(dá)到nV級。這種情況下，在將傳感器輸出信號送至ADC輸入之前，必須對信號進(jìn)行放大。為了防止放大階段引入誤差，需要選擇低失調(diào)電壓(V_OS)、低溫漂的低噪聲放大器(LNA)。惠斯通電橋的缺點是共模電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號。這意味著LNA還必須具有非常高的共模抑制比(CMRR)，通常大于100dB。如果采用單端ADC，則需附加電路在數(shù)據(jù)采集之前消除較高的共模電壓。此外，由于信號帶寬很窄，放大器的1/f噪聲也會引入誤差。因此，最好采用斬波穩(wěn)定放大器。使用分辨率非常高的ADC，占用滿量程范圍的一小部分有助于降低對放大器的苛刻要求。

采集—ADC

選擇ADC時需嚴(yán)格確認(rèn)其技術(shù)指標(biāo)，例如：無噪聲范圍或有效分辨率，該指標(biāo)表示ADC能夠辨別固定輸入電平的能力。一種替代指標(biāo)是無噪聲計數(shù)或編碼。大多數(shù)高精度ADC的數(shù)據(jù)資料把這些指標(biāo)表示為噪聲峰值或RMS噪聲與速度的對應(yīng)關(guān)系表，有時也以噪聲直方圖的形式表示這些指標(biāo)。

其它需要考慮的ADC指標(biāo)包括：低失調(diào)誤差、低溫漂及優(yōu)異的線性度。對于特定的低功耗應(yīng)用，速度與功耗的關(guān)系也是非常重要的規(guī)格。

濾波

傳感器信號的帶寬一般很窄，對噪聲的敏感度較高。因此，通過濾波限制信號的帶寬可顯著降低總體噪聲。利用Σ-Δ ADC能夠簡化噪聲濾波要求，因為這種架構(gòu)提供固有的過采樣特性。

數(shù)字信號處理(DSP)—數(shù)字域

除模擬信號調(diào)理外，為了提取信號并降低噪聲，還需要在數(shù)字域?qū)λ杉男盘栕鬟M(jìn)一步處理。通常需要找到針對具體應(yīng)用及其細(xì)微差別的算法。有些通用算法，例如，數(shù)字域的失調(diào)和增益校準(zhǔn)、線性化處理、數(shù)字濾波和基于溫度(或其它制約因素)的補償。

信號調(diào)理/集成方案

有些集成方案把所有需要的功能模塊集成在單一芯片，通常稱為傳感器信號調(diào)理器IC。信號調(diào)理器是一種專用IC (ASIC)，它對輸入信號進(jìn)行補償、放大和校準(zhǔn)，能夠覆蓋較寬的溫度范圍。根據(jù)對信號調(diào)理器的不同精度要求，ASIC會集成以下全部或部分模塊：傳感器激勵電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、可編程增益放大器(PGA)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、存儲器、多路復(fù)用器(MUX)、CPU、溫度傳感器以及數(shù)字接口。

常見的信號調(diào)理器有兩種類型：模擬信號通路的調(diào)理器(模擬調(diào)理器)和數(shù)字信號通路的調(diào)理器(數(shù)字調(diào)理器)。模擬調(diào)理器的響應(yīng)時間較快，提供連續(xù)的輸出信號，反映輸入信號的實時變化。它們通常采用硬件補償機制(不夠靈活)。數(shù)字調(diào)理器往往基于微控制器，由于ADC和DSP算法具有一定的執(zhí)行時間，響應(yīng)時間較慢。應(yīng)該考慮ADC的分辨率，將量化誤差降至最小。數(shù)字信號調(diào)理器的最大好處是提供靈活的補償算法，可根據(jù)用戶的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。

溫度檢測

概述

溫度檢測在工業(yè)系統(tǒng)中的主要作用表現(xiàn)在三個方面。

1. 溫度控制，例如恒溫爐、冷凍箱和環(huán)境控制系統(tǒng)，根據(jù)實測溫度判斷實施加熱/致冷操作。
   
   
2. 校準(zhǔn)各種傳感器、振蕩器及其它經(jīng)常隨溫度變化的元件。由此，必須通過測量溫度確保敏感系統(tǒng)元件的精度。
   
   
3. 保護元件和系統(tǒng)在極端溫度下不被損壞。溫度檢測決定所要采取的相應(yīng)措施。

熱敏電阻、RTD、熱電偶和IC是目前應(yīng)用最廣的溫度檢測技術(shù)。每種設(shè)計方案都有其自身的優(yōu)勢(例如成本、精度、測溫范圍)，適合不同的特定應(yīng)用。以下將逐一討論這些技術(shù)。

除提供業(yè)內(nèi)最全面的專用溫度傳感器IC外，Maxim還推出了系統(tǒng)與熱敏電阻、RTD及熱電偶接口所需的任何器件。


溫度檢測應(yīng)用的信號鏈路框圖。關(guān)于Maxim推薦的溫度傳感器解決方案的完整信息，請訪問：china.maxim-ic.com/-40+85。

熱敏電阻

熱敏電阻的阻值取決于溫度，一般由半導(dǎo)體材料制成，如金屬氧化物陶瓷或聚合物。應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)電阻，因此，熱敏電阻通常稱為NTC。同樣，也存在正溫度系數(shù)的熱敏電阻(PTC)。

熱敏電阻能夠測量中等溫度范圍，通常最高可達(dá)+150°C，有些熱敏電阻可以測量更高溫度；根據(jù)精度的不同，成本一般在中、低端；線性度雖然較差，但可預(yù)測。熱敏電阻可以是探頭、表貼封裝、裸線等不同形式的專用封裝。Maxim提供能夠?qū)崦綦娮枳柚缔D(zhuǎn)換為數(shù)字信號的IC，如MAX6682和MAX6698。

熱敏電阻往往連接一個或多個固定阻值電阻，形成分壓器。分壓器輸出通常經(jīng)過ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。利用查找表或通過計算對熱敏電阻的非線性進(jìn)行修正。

RTD

電阻溫度檢測器(RTD)是一種阻值隨溫度變化的電阻。鉑是最常見、精度最高的金屬絲材料。鉑RTD稱為Pt-RTD，鎳、銅及其它金屬亦可用來制造RTD。

RTD具有較寬的測溫范圍，最高達(dá)+750°C，具有較高精度和較好的可重復(fù)性，線性度適中。對于Pt-RTD，最常見的電阻值為：0°C時，標(biāo)稱值為100Ω或1kΩ，當(dāng)然也有其它電阻值。

RTD的信號調(diào)理可以非常簡單：將RTD與一個精密的固定阻值電阻相連，構(gòu)成分壓器；也可以采用更復(fù)雜的信號調(diào)理，尤其是在寬溫測量中。方案中通常包括：精密電流源、電壓基準(zhǔn)和高分辨率ADC，如圖1所示。利用查找表或通過計算、外部線性化處理電路對傳感器進(jìn)行線性化調(diào)整。


圖1. RTD信號調(diào)理電路簡化圖

熱電偶

熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。金屬絲之間的觸點所產(chǎn)生的電壓與溫度近似成比例關(guān)系。有幾種類型的熱電偶分別以字母表示。最常見的熱電偶為K型熱電偶。

熱電偶具有非常寬的測溫范圍，高達(dá)+1800°C；成本很低，具體成本與封裝有關(guān)；具有較低的輸出電壓，K型熱電偶的輸出大約為40μV/°C；線性度適中，并可提供適當(dāng)?shù)膹?fù)雜信號調(diào)理，即冷端補償和放大。

由于熱電偶輸出信號較低，利用熱電偶測量溫度具有一定難度。由于熱電偶金屬絲連接到信號調(diào)理電路的銅線(或引線)時，在觸點位置又會產(chǎn)生額外的熱電偶，進(jìn)一步加劇了測量的復(fù)雜性。該觸點稱為冷端(圖2所示)。為了利用熱電偶準(zhǔn)確測量溫度，必須在冷端位置增加第二個溫度傳感器，如圖3所示。然后將冷端測量溫度與熱電偶測量值相疊加。圖3所示電路是一種實施方案，其中包括多款精密元件。


圖2. 熱電偶電路簡化圖。金屬1和金屬2之間的結(jié)為主熱電偶結(jié)。金屬1和金屬2與測量裝置銅線或印制板(PCB)引線的接觸位置形成了額外的熱電偶。

除圖3所示所有元件外，Maxim還提供用于K型熱電偶信號調(diào)理的器件MAX6674和MAX6675。這些器件簡化了設(shè)計任務(wù)，并顯著降低對熱電偶輸出放大、冷端補償及數(shù)字化處理的元件數(shù)量。


圖3. 熱電偶信號調(diào)理電路示例

溫度傳感器IC

溫度傳感器IC充分利用了硅PN結(jié)所具備的線性度和預(yù)知的溫度特性等優(yōu)勢。由于這些IC都是采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝制成的有源電路，可提供各種外形封裝。這些器件具備許多功能，例如：數(shù)字接口、ADC輸入、風(fēng)扇控制等，這是其它技術(shù)無法提供的。溫度傳感器IC的工作溫度范圍可低至-55°C、高達(dá)+125°C，部分產(chǎn)品的溫度上限可以達(dá)到+150°C左右。以下介紹了常見的溫度傳感器IC。

模擬溫度傳感器

模擬溫度傳感器IC將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，有些情況下則轉(zhuǎn)換成電流。最簡單的電壓輸出模擬溫度傳感器只有三個有效端：地、電源輸入和信號輸出。其它具有增強功能的模擬傳感器提供更多的輸入或輸出，例如比較器或電壓基準(zhǔn)輸出。

模擬溫度傳感器利用雙極型晶體管的溫度特性產(chǎn)生與溫度成比例的輸出電壓。對這一電壓信號進(jìn)行放大并施加一定的偏置，可以使傳感器輸出電壓與管芯溫度形成適當(dāng)?shù)淖兓P(guān)系，獲得較高的溫度測量精度。例如，DS600業(yè)內(nèi)精度最高的模擬溫度傳感器，在-20°C至+100°C溫度范圍內(nèi)保證誤差小于±0.5°C。

本地數(shù)字溫度傳感器

將模擬溫度傳感器與ADC集成在一起即可形成直接輸出數(shù)字信號的溫度傳感器。這種器件通常稱為數(shù)字溫度傳感器或本地數(shù)字溫度傳感器。“本地”表示傳感器測量的是自身溫度。這種工作方式相對于遠(yuǎn)端傳感器，后者用于測量外部IC或分立晶體管的溫度。

基本的數(shù)字溫度傳感器只是簡單地測量溫度，溫度數(shù)據(jù)通過各種特定接口讀取，接口類型包括：1-Wire?、I2C、PWM和3線。復(fù)雜的數(shù)字傳感器具備更多功能，例如：高溫/低溫報警輸出、設(shè)置觸發(fā)門限的寄存器及EEPROM等。Maxim提供多款本地數(shù)字溫度傳感器，包括DS7505和DS18B20，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保證±0.5°C的精度。

遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器

遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器又稱為遠(yuǎn)端傳感器或二極管溫度傳感器。遠(yuǎn)端傳感器用于測量外部晶體管的溫度，可以采用分立晶體管，也可以采用集成在另一IC內(nèi)部的晶體管，如圖4所示。微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)及ASIC往往包含一個或多個溫度傳感器，通常稱為溫度二極管，與圖4所示類似。


圖4. 利用遠(yuǎn)端溫度傳感器MAX6642監(jiān)測外部IC管芯的晶體管(或溫度二極管)溫度

遠(yuǎn)端溫度傳感器具有一個重要優(yōu)勢：可以利用單片IC監(jiān)測多點溫度。一個基本的單芯片遠(yuǎn)端傳感器，例如，圖4中的MAX6642，可以監(jiān)測兩個溫度：自身溫度和外部溫度。外部位置可以是目標(biāo)IC的管芯，如圖4所示，也可以是被監(jiān)測電路板的某個溫度監(jiān)測點(采用分立式晶體管)。有些遠(yuǎn)端傳感器可以監(jiān)測最多7個位置的外部溫度。這樣的話，包括IC和電路板的溫度監(jiān)測點在內(nèi)，單芯片能夠監(jiān)測多達(dá)8個位置。以MAX6602為例，該溫度傳感器具有4路遠(yuǎn)端二極管輸入，能夠監(jiān)測1對集成溫度二極管的FPGA、2個電路板的溫度監(jiān)測點(采用分立晶體管)以及MAX6602所在位置的電路板溫度。MAX6602和MAX6642在測量外部溫度二極管時都能達(dá)到±1°C的精度。

電流、光信號及接近檢測

概述

電流檢測對于很多應(yīng)用都十分關(guān)鍵，有兩種常見的測量方法。

• 一種方法通常用于大電流檢測，往往用來監(jiān)測電源。典型應(yīng)用包括：短路檢測、瞬態(tài)檢測以及電池反接檢測。
  
  
• 電流檢測還用于那些需要檢測弱電流(低至微安級)的系統(tǒng)，例如：光照下能夠產(chǎn)生極小電流的光敏二極管。典型應(yīng)用包括環(huán)境光檢測、接近檢測以及基于光吸收/發(fā)射的化學(xué)過程監(jiān)測。

這些電流檢測技術(shù)都使用了電流檢測放大器(具有多種配置)或互阻放大器(TIA)。以下分別討論各種類型的電流檢測放大器。

采用電流檢測放大器檢測電流

測量電流的技術(shù)有多種，但截至目前為止，最常見的是利用檢流電阻進(jìn)行測量。這種方法的基本原理是利用基于運放的差分增益級對檢流電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，然后測量放大后的電壓。雖然可以利用分立元件搭建放大電路，但集成電流檢測放大器相對于分立設(shè)計具有明顯優(yōu)勢：極小的溫漂、占用極小的印制板(PCB)面積，而且能夠處理較寬的共模范圍。

多數(shù)電流檢測設(shè)計采用低邊或高邊檢測。在低邊檢測中，檢流電阻與地通路相串聯(lián)。電路只需處理較低的輸入共模電壓，輸出電壓以地為參考。但是，低邊檢流電阻在接地通路增加了所不希望的電阻。高邊檢測中，檢流電阻與正電源電壓相串聯(lián)。此時負(fù)載的一端接地，但高邊電阻必須承受相對較大的共模信號。


電流檢測信號鏈路框圖。關(guān)于Maxim推薦的電流檢測方案的完整信息，請訪問：china.maxim-ic.com/detect。

Maxim的高邊電流檢測放大器把檢流電阻連接到電源的正端和被監(jiān)測電路的電源輸入之間。這種設(shè)計避免了接地通道的外接電阻，大大簡化電路布局，有助于改善電路的總體性能。Maxim提供的單向和雙向電流檢測IC有些帶有內(nèi)部檢流電阻，有些采用外部檢流電阻。

利用互阻放大器(TIA)檢測光信號

第二種常見的電流測量技術(shù)是利用具有極低輸入偏置電流的運算放大器，例如TIA，它將電流輸入轉(zhuǎn)換成電壓輸出。這種方法適用于電流非常小、波動較大的應(yīng)用，例如光檢測應(yīng)用中光敏二極管產(chǎn)生的信號。

一個簡單的光敏二極管就是一個非常準(zhǔn)確的光檢測傳感器。光檢測可以用于從基于太陽能的電源管理到精密的工業(yè)過程控制等多種不同應(yīng)用。由于給定環(huán)境下，光強的變化范圍很大(例如從20klx到100klx)，寬動態(tài)范圍成為光信號檢測的一項關(guān)鍵要求。MAX9635等集成方案在器件內(nèi)部集成了一個光敏二極管、放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，動態(tài)范圍為0.03lx至130,000lx。

利用光敏二極管進(jìn)行接近檢測

接近檢測的方案有多種，光敏二極管相對而言能夠提供較高的精度，功耗也更低。光敏二極管受到光照時，將產(chǎn)生與光強成正比的電流。低輸入噪聲、寬帶緩沖器將該電流傳遞給系統(tǒng)的其它部分。可以選用低輸入噪聲放大器，例如MAX9945，提供精確的測量結(jié)果。

傳感器通信接口

傳感器通過模擬或數(shù)字技術(shù)傳輸檢測信息。模擬技術(shù)基于電壓或電流環(huán)；數(shù)字信息則通過CAN、CompoNet?、IO-Link?、RS-485及其它數(shù)據(jù)接口傳輸。



二進(jìn)制傳感器僅傳輸比特流。通常情況下，被測對象的“有”、“無”利用邏輯電平表示并進(jìn)行傳輸。此外，當(dāng)一個對象(例如閥門中的活塞)達(dá)到預(yù)定的臨界點時，傳感器能夠檢測到這一信息，然后通過二進(jìn)制接口將信息傳遞給可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)。

由于工業(yè)環(huán)境條件惡劣，傳感器接口必須高度可靠，能夠承受各種誤操作和EMI。