傳感器的信號調(diào)節(jié)技術(shù)

提示

 

· 通常，斬波放大器更適合用于直流或低頻應(yīng)用，而自動穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應(yīng)用。

 

· 兩種很常見的結(jié)構(gòu)分別用兩只和三只運放構(gòu)成儀表放大器。

 

· 能量采集為遠方的微處理器或發(fā)射機供電，而不需要局部電源。

 

· 完整解決方案需要處理傳感器驅(qū)動與輸出需求、采樣速率、信號路徑校準、性能、傳感器診斷、功耗需求等問題。

 

· 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在改變信息收集的方式，增加物理世界數(shù)據(jù)的數(shù)量與可獲得性。

 

很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個高增益和有精確性能(接近于dc)的信號調(diào)節(jié)電路。我們評估了現(xiàn)代模擬電路所采用最新傳感器的信號調(diào)節(jié)狀況。

 

現(xiàn)代傳感器能檢測許多模擬屬性，如溫度、力、壓力、濕度、流動、功率等，并將其轉(zhuǎn)換成一定的電壓、電流、電荷輸出。這些輸出或為阻性模擬信號， 或為純數(shù)字信號， 其大小與對應(yīng)的環(huán)境激勵成比例。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。很多時候， 需要對信號做單獨的調(diào)節(jié)或合并， 才能提供有用的電子輸出信號。本文中，我們來看一些現(xiàn)代模擬電路中用于傳感器信號調(diào)節(jié)的最新技術(shù)。隨著對高精密運放需求的不斷增長，自校準架構(gòu)也日益普及，這種架構(gòu)可連續(xù)地校準偏移誤差。Microchip公司首席產(chǎn)品營銷工程師Kevin Tretter發(fā)現(xiàn)，很多領(lǐng)先放大器制造商都用“零漂移”來表示任何的連續(xù)自校準架構(gòu)，無論是自動穩(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，而自動穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應(yīng)用。

 

Tretter指出，用于零漂信號調(diào)節(jié)的自動穩(wěn)零架構(gòu)包括一個主放大器和次放大器，主放大器永遠連到輸入端，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)也使用一只永遠與輸入端相連的大帶寬主放大器， 另外有一個“ 輔助” 放大器， 它使用開關(guān)來斬斷輸入信號， 為主放大器提供偏移校正。例如，Microchip的MCP6V11小功率放大器通過斬波動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，但自動穩(wěn)零和斬波穩(wěn)零放大器都有相同的目標： 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， 而且在各個時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，需要一個高增益和有精確性能(接近于dc)的信號調(diào)節(jié)電路。這些傳感器的應(yīng)用包括精密電子秤、測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 噪聲都會造成誤差， 需要軟件或硬件的校正。Moghimi提供了一個采用零漂放大器做高精度信號調(diào)節(jié)的實例。該放大器設(shè)計實現(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1/f噪聲，設(shè)計人員獲得了無需校正的便利。

 

 

 

 

 

圖1中的電路是一個單電源精密電子秤， 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)過了ADI的建立與測試，具體說明見參考文獻1， 在10 mV滿量程輸出下，對一個測重元件可產(chǎn)生15.3 位的無噪聲編碼分辨率， 并在從9.5Hz~120Hz的整個輸出數(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)實現(xiàn)的低通濾波器將噪聲帶寬限制到4.3Hz，阻止了進入Σ - Δ ADC 的噪聲量。C5、R3和R4構(gòu)成一個截止頻率為8Hz 的差分濾波器， 用于進一步限制噪聲。C3 、C4 與R3 、R4共同構(gòu)成截止頻率為159Hz的共模濾波器。

 

 

 

 

 

另一個高精度小功率信號調(diào)節(jié)的例子是圖2中給出的心電圖電路，也在參考文獻2中有說明。ECG電路必須工作在一個差分dc偏移下，因為電極有半電池電勢。這個過壓的容限通常是±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及存在這個較高半電池電勢，限制了可以加在第一級信號調(diào)節(jié)上的增益。

 

AD8237架構(gòu)解決這一問題的方法是，從輸出端到REF管腳接一個低頻反相積分器，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，放大級可以施加高增益，并降低對系統(tǒng)其余部分的精度要求。這級放大之后信號路徑中器件的噪聲與偏移誤差對整體精度幾乎沒有貢獻。AD8607雙微功耗儀表運放用于積分、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。

應(yīng)用

 

Microchip公司的Tretter指出，當斬波穩(wěn)零放大器首次進入市場時，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)流量儀表、萬用表、高端稱重計， 甚至游戲機等。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(電阻溫度檢測器)和壓力傳感器(圖3)，因為這種電路類型提供了出色的靈敏度。即使在一個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較小，通常在毫伏區(qū)間。由于信號幅度小，一般需要一個增益級，然后再通過ADC將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。Tretter稱，零漂放大器是這類應(yīng)用的一個上佳選擇，因為它有高增益和最低的噪聲。

 

 

 

 

IA設(shè)計考慮

 

Touchstone半導(dǎo)體公司營銷與應(yīng)用副總裁Adolfo A Garcia指出，當電源電壓低(<3V)，并且可選自完備IA(儀表放大器)有限時，設(shè)計自己的IA最為簡單直接，只需要了解運放的輸入輸出dc特性與電路結(jié)構(gòu)。構(gòu)建儀表運放有兩種很常見的結(jié)構(gòu)，分別采用兩只和三只運放。

 

 

 

 

圖4給出了兩種運放結(jié)構(gòu)。當采用單電源軌至軌的小功率運放時，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。最大輸出動態(tài)范圍與應(yīng)用無關(guān)，是實現(xiàn)最高電路性能的關(guān)鍵。據(jù)Garcia稱，輸出級能提供最寬動態(tài)范圍的單電源運放是最佳選擇，因為避免了放大器輸出級飽和問題。

 

注意圖4電路傳輸方程中的基準電壓項(VREF)。為避免AMP1的輸出飽和，儀表放大器的輸出信號的測量必須針對VREF。在一個3 V (或更低電壓)的系統(tǒng)中，如要電路有最大的動態(tài)范圍，并避免輸出級的飽和問題，只要簡單地將VREF設(shè)為電源的一半就足夠了。不過Garcia發(fā)現(xiàn)，只有所選運放的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格相對其電源數(shù)據(jù)對稱時，這個方法才是有效的。

 

 

 

 

 

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已知的電路參數(shù)，則可以重新排列式中的相應(yīng)項，以確定為防止輸出級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)計方面的考慮。另外要指出的是，運放的VOH(MIN)和VOL(MAX)電壓規(guī)格很大程度上由放大器輸出級負載所決定，因此要注意負載電阻的情況。

 

 

有一個實際例子，選擇的是一只TS1002 雙0.6μA運放，構(gòu)造了一個增益為10的雙運放IA，它的工作電源為2.5V。TS1002在100kΩ負載下的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，輸出級被偏置在最大輸出動態(tài)范圍內(nèi)，避免了輸出級飽和。在上述增益10情況下，為避免輸出級飽和而施加的最大差分輸入電壓為：(2.498V+0.001V)/(2×10)，約125mV。 [!--empirenews.page--]

 

 

 

 

 

對三運放I A 結(jié)構(gòu)可以做一個類似的分析( 圖5) 。同樣， 省略對三運放IA以及前述項的嚴謹全電路分析，雙運放IA的結(jié)果也很好地適用在這里，即，為獲得最大動態(tài)范圍，輸出基準電壓要設(shè)定在AMP1和AMP2的輸出電壓擺幅的中間(式1)。

電路增益的表達式與雙運放IA形式相同(式2)。測得的電路輸出電壓是針對VREF，VREF設(shè)計在AMP1 和AMP2的輸出電壓擺幅中間；而可以加給三運放IA的最大差分輸入電壓則由式2決定。

 

另一個實際例子中，設(shè)計者采用了一只Touchstone半導(dǎo)體公司的TS10040.6μA四運放，搭建一個2.5V電源、增益為50的三運放IA。從TS1004的數(shù)據(jù)表中可查到其在100kΩ負載時的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格分別為2.498V和0.001V。用式1，輸出級由一個為(2.498V+0.001V)/2=1.249V的VREF偏置， 以獲得最大輸出動態(tài)范圍， 避免輸出級的飽和。在所述50 增益時， 為避免輸出級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)品營銷總監(jiān)TonyArmstrong描述了用可再生能源為遠程無線結(jié)點供電的情況，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(見附文：“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集更多真實數(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會，也為能源采集器件提供了一個機會，幫助為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供電能。這些無線傳感器已普遍用于樓宇自動化和前瞻性維護應(yīng)用。

 

Armstrong指出，能源采集的傳統(tǒng)方式是通過太陽能電池板和風力發(fā)電機，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)電機將熱能轉(zhuǎn)化為電能，壓電元件轉(zhuǎn)換機械振動，光伏電池轉(zhuǎn)換太陽光(或任何光子源)，而電化法是從濕度獲得能量。這樣就能夠為遠處的傳感器提供電源，或為某種存儲設(shè)備充電，如電容或薄膜電池。于是，遠方地點的微處理器或發(fā)射器就有電能供應(yīng)，而無需在當?shù)卦O(shè)立電源。

 

 

 

 

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，起動電壓低至20mV，輸入電壓能夠達到連續(xù)34V，40V瞬態(tài)，還能處理交流輸入，具有多輸出能力和自動的系統(tǒng)電源管理功能，自動極性轉(zhuǎn)換，對太陽能輸入的最高功率點控制，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。

 

由于太陽能的功率是變化不定的，幾乎所有太陽能供電設(shè)備都要使用可充電電池。顯然，其目標是獲得盡可能多的太陽能源，為這些電池快速充電，以維持它們的充電狀態(tài)。

 

雖然太陽能電池天生就是轉(zhuǎn)換效率低的設(shè)備，但它們也有一個最大輸出功率點，因此在這個點上工作就是一個明確的設(shè)計目標。Armstrong發(fā)現(xiàn)，問題是最大輸出功率的IV特性會隨光照而改變。單晶硅太陽能電池的輸出電流與光強度成正比，而在最大功率輸出時的電壓卻相對恒定。確定光強度下的最大功率輸出發(fā)生在每個曲線的拐點處，此時，太陽電池從一個恒壓設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€恒流設(shè)備(圖6)。

 

 

 

 

因此，一個能從太陽能板高效獲得能量的充電器設(shè)計，必須能在光照水平無法滿足充電器滿功率需求時，將太陽能板的輸出電壓控制在最大功率點。凌利爾特公司針對太陽能應(yīng)用的LT3652多化學(xué)種類2A電池充電器采用了一個輸入穩(wěn)壓回路，通過一個簡單的分壓網(wǎng)絡(luò)，當輸入電壓跌到一個預(yù)設(shè)的電平以下時，會減小充電電流。當用太陽能板供電時，輸入穩(wěn)壓回路可將太陽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)動與輸出需求、采樣速率、信號路徑校正、性能、傳感器診斷，以及功耗需求等問題。簡化開發(fā)周期以及減少開發(fā)時間，可能意味著更快地進入市場，每年做出更多的設(shè)計。不過， 大多數(shù)現(xiàn)行方案只解決了其中少數(shù)問題， 用分立元件開發(fā)既耗時又復(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是一個集成化軟硬件開發(fā)平臺的組成部分，工程師可以用它來選擇傳感器， 設(shè)計并配置解決方案， 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上立即評估整個信號路徑解決方案。

 

 

 

 

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值測量中面臨著一些設(shè)計挑戰(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)，它以一個集成化的小尺寸解決了這些設(shè)計挑戰(zhàn)。

 

 

 

 

另外， TI 的LMP91050NDIR( 非分光紅外) 氣體檢測AFE 也支持多個溫差電堆傳感器，用于NDIR檢測、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測、按需控制的通風、HVAC、飲酒呼氣分析、溫室氣體監(jiān)測， 以及氟里昂檢測等(圖8)。

附文：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集更多真實數(shù)據(jù)服務(wù)于更多公用事業(yè)設(shè)施

 

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( WSN )正在改變信息收集的方式，使我們更容易從現(xiàn)實世界獲取更多的數(shù)據(jù)。部署一個有線傳感器網(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)品部集團總裁Joy Weiss稱，WSN的實際價值在于，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，還包括任何想要測量或為一個系統(tǒng)增加控制點的地方。

 

 

 

Weiss舉了下面這些因WSN而實現(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，對數(shù)據(jù)中心來說，對通信布線和電源布線做翻新是不現(xiàn)實的，成本高昂。Vigilent采用無線傳感器結(jié)點解決了這些問題。Vigilent為自己的產(chǎn)品選擇了凌利爾特公司的DustNetworks SmartMesh解決方案，認為它是低功耗、高可靠性和強大安全性的關(guān)鍵成功要素。

 

Emerson Process Management幫助實現(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)、加工和配送的自動化。Emerson的Smart Wireless產(chǎn)品與解決方案基于IEC 62591無線標準，采用了凌利爾特/Dust的SmartMeshWirelessHART產(chǎn)品，擴展了預(yù)測智能，超出了以前的物理與經(jīng)濟性范圍。

 

Streetline為城市、車庫、機場、大學(xué)以及其它泊車商提供智能泊車解決方案(如圖所示)，目標是通過采用傳感器的移動與Web應(yīng)用，使智能城市成為現(xiàn)實。Streetline需要一個足夠強健的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，它能在嚴酷和動態(tài)變化的街面情況下工作，街道可能既廣又密，可能數(shù)年時間不能更換電池。Streetline的智能泊車解決方案在一個覆蓋整個好萊塢/洛杉磯區(qū)的無線網(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)埋的無線傳感器可跟蹤空出來的泊車位,然后將信息以無線方式發(fā)送給智能手機用戶。