传感器的信号调节技术

提示

· 通常，斩波放大器更适合用于直流或低频应用，而自动稳零放大器则适用于更大带宽的应用。

· 两种很常见的结构分别用两只和三只运放构成仪表放大器。

· 能量采集为远方的微处理器或发射机供电，而不需要局部电源。

· 完整解决方案需要处理传感器驱动与输出需求、采样速率、信号路径校准、性能、传感器诊断、功耗需求等问题。

· 无线传感器网络正在改变信息收集的方式，增加物理世界数据的数量与可获得性。

很多传感器都是以低频产生低输出电压，需要一个高增益和有精确性能(接近于dc)的信号调节电路。我们评估了现代模拟电路所采用最新传感器的信号调节状况。

现代传感器能检测许多模拟属性，如温度、力、压力、湿度、流动、功率等，并将其转换成一定的电压、电流、电荷输出。这些输出或为阻性模拟信号， 或为纯数字信号， 其大小与对应的环境激励成比例。有些传感器可自行工作； 还有一些则需要提供电源， 通常是电压源或电流源形式。很多时候， 需要对信号做单独的调节或合并， 才能提供有用的电子输出信号。本文中，我们来看一些现代模拟电路中用于传感器信号调节的最新技术。随着对高精密运放需求的不断增长，自校准架构也日益普及，这种架构可连续地校准偏移误差。Microchip公司首席产品营销工程师Kevin Tretter发现，很多领先放大器制造商都用“零漂移”来表示任何的连续自校准架构，无论是自动稳零结构，还是斩波稳零结构。通常，斩波放大器更适合用于dc或低频应用，而自动稳零放大器则适用于更大带宽的应用。

Tretter指出，用于零漂信号调节的自动稳零架构包括一个主放大器和次放大器，主放大器永远连到输入端，而次放大器则不断修正它们自己的偏移，并将偏移修正值应用于主放大器。Microchip公司已在MCP6V01上实现了这种类型的架构，其主放大器偏移误差的修正速度为1万次/s，从而获得了Microchip称之为极低的偏移和失调漂移。

斩波稳零架构也使用一只永远与输入端相连的大带宽主放大器， 另外有一个“ 辅助” 放大器， 它使用开关来斩断输入信号， 为主放大器提供偏移校正。例如，Microchip的MCP6V11小功率放大器通过斩波动作最大限度地减少了偏移以及偏移相关的误差。

虽然内部工作方式不同，但自动稳零和斩波稳零放大器都有相同的目标： 尽量减小偏移以及偏移相关的误差。结果不仅获得了低的初始偏移， 而且在各个时间和温度下也有低的失调漂移、极好的共模抑制与电源抑制，并消除了1/f ( 频率相关)噪声。

斩波架构

Analog Devices公司应用工程经理Reza Moghimi指出，很多传感器都是以低频产生低输出电压，需要一个高增益和有精确性能(接近于dc)的信号调节电路。这些传感器的应用包括精密电子秤、测压元件与桥式换能器、热电偶/温差电堆传感器的接口，以及精密医疗仪器。

用于这些传感器信号调节的是非精密放大器， 它们的偏移电压、失调漂移电压， 以及1 / f 噪声都会造成误差， 需要软件或硬件的校正。Moghimi提供了一个采用零漂放大器做高精度信号调节的实例。该放大器设计实现了超低偏移电压与漂移、高开环增益、高电源抑制比、高共模抑制能力，且无1/f噪声，设计人员获得了无需校正的便利。

图1中的电路是一个单电源精密电子秤， 它使用了AD7791 ，这是一款小功率带缓冲的24 位Σ - ΔADC ， 还有一只外接的ADA4528- x 零漂放大器。电路已经过了ADI的建立与测试，具体说明见参考文献1， 在10 mV满量程输出下，对一个测重元件可产生15.3 位的无噪声编码分辨率， 并在从9.5Hz~120Hz的整个输出数据区间上都能保持良好的性能。

电路中的差分放大器包括两只低噪声零漂ADA 4528 放大器，它具有1kHz 时5. 6nV/电压噪声密度，0.3μV偏移电压，0.002μV /失调电压漂移，以及分别为158dB和150dB的共模抑制与电源抑制。电路增益等于1+2R1/RG，电容C1、C2与电阻R1、R2并联实现的低通滤波器将噪声带宽限制到4.3Hz，阻止了进入Σ - Δ ADC 的噪声量。C5、R3和R4构成一个截止频率为8Hz 的差分滤波器， 用于进一步限制噪声。C3 、C4 与R3 、R4共同构成截止频率为159Hz的共模滤波器。

另一个高精度小功率信号调节的例子是图2中给出的心电图电路，也在参考文献2中有说明。ECG电路必须工作在一个差分dc偏移下，因为电极有半电池电势。这个过压的容限通常是±300 mV，但在有些情况下可以为1V或更高。ECG电路中有电源电压的下降趋势及存在这个较高半电池电势，限制了可以加在第一级信号调节上的增益。

AD8237架构解决这一问题的方法是，从输出端到REF管脚接一个低频反相积分器，其摆幅最多为dc偏移，而不是dc偏移与增益的乘积。由于放大器增益加在积分器输出端，放大级可以施加高增益，并降低对系统其余部分的精度要求。这级放大之后信号路径中器件的噪声与偏移误差对整体精度几乎没有贡献。AD8607双微功耗仪表运放用于积分、缓冲与电平转换，电源电流为115μA。图中未显示应有的去耦部分。

零漂轨至轨输入与输出仪表放大器可以工作在最小1.8V 电源电压， 增益漂移为0.5 ppm / ，而失调漂移电压为0.2 μV / 。两只外接电阻可在1 ~1000 区间内设定增益值。AD 8607 可以满幅放大共模电压等于或超出300 mV电源电压的信号。

应用

Microchip公司的Tretter指出，当斩波稳零放大器首次进入市场时，它们具有大开关电流与布局敏感的特性， 使之既难使用成本又高。因此设计者将其局限用于那些性能非常关键的应用。自那以后， 工艺技术与硅设计的发展改善了零漂放大器的可用性， 从而在广泛的应用中找到了用武之地， 包括医疗设备、工业流量仪表、万用表、高端称重计， 甚至游戏机等。很多传感器通常都排列成一种Wheatstone桥结构，如应力规、RTD(电阻温度检测器)和压力传感器(图3)，因为这种电路类型提供了出色的灵敏度。即使在一个Wheatstone桥结构中使用了多只传感器， 输出电压的总变化也相对较小，通常在毫伏区间。由于信号幅度小，一般需要一个增益级，然后再通过ADC将电压转换为数字信号。Tretter称，零漂放大器是这类应用的一个上佳选择，因为它有高增益和最低的噪声。

IA设计考虑

Touchstone半导体公司营销与应用副总裁Adolfo A Garcia指出，当电源电压低(<3V)，并且可选自完备IA(仪表放大器)有限时，设计自己的IA最为简单直接，只需要了解运放的输入输出dc特性与电路结构。构建仪表运放有两种很常见的结构，分别采用两只和三只运放。

图4给出了两种运放结构。当采用单电源轨至轨的小功率运放时，主要的选择考虑(根据应用情况)包括：dc特性，如VOS、TCVOS、AVOL(MIN)、IOS、VOH(MIN)和VOL(MAX)，以及ac特性，如放大器输入相关噪声与带宽。最大输出动态范围与应用无关，是实现最高电路性能的关键。据Garcia称，输出级能提供最宽动态范围的单电源运放是最佳选择，因为避免了放大器输出级饱和问题。

注意图4电路传输方程中的基准电压项(VREF)。为避免AMP1的输出饱和，仪表放大器的输出信号的测量必须针对VREF。在一个3 V (或更低电压)的系统中，如要电路有最大的动态范围，并避免输出级的饱和问题，只要简单地将VREF设为电源的一半就足够了。不过Garcia发现，只有所选运放的VOH(MIN)和VOL(MAX)规格相对其电源数据对称时，这个方法才是有效的。

在式2中，是IA电路上所加的最大差分输入电压。如果所需增益是一个已知的电路参数，则可以重新排列式中的相应项，以确定为防止输出级饱和而能给电路施加的最大输入差分电压。

为了以最小功率运行，电路中使用的电阻应为100kΩ或更大，具体要看噪声和带宽设计方面的考虑。另外要指出的是，运放的VOH(MIN)和VOL(MAX)电压规格很大程度上由放大器输出级负载所决定，因此要注意负载电阻的情况。

有一个实际例子，选择的是一只TS1002 双0.6μA运放，构造了一个增益为10的双运放IA，它的工作电源为2.5V。TS1002在100kΩ负载下的VOH(MIN)和VOL(MAX)规格分别为2.498V和0.001V 。使用式1， VREF等于(2.498V+ 0.001V)/2=1.249V，输出级被偏置在最大输出动态范围内，避免了输出级饱和。在上述增益10情况下，为避免输出级饱和而施加的最大差分输入电压为：(2.498V+0.001V)/(2×10)，约125mV。

对三运放I A 结构可以做一个类似的分析( 图5) 。同样， 省略对三运放IA以及前述项的严谨全电路分析，双运放IA的结果也很好地适用在这里，即，为获得最大动态范围，输出基准电压要设定在AMP1和AMP2的输出电压摆幅的中间(式1)。

电路增益的表达式与双运放IA形式相同(式2)。测得的电路输出电压是针对VREF，VREF设计在AMP1 和AMP2的输出电压摆幅中间；而可以加给三运放IA的最大差分输入电压则由式2决定。

另一个实际例子中，设计者采用了一只Touchstone半导体公司的TS10040.6μA四运放，搭建一个2.5V电源、增益为50的三运放IA。从TS1004的数据表中可查到其在100kΩ负载时的VOH(MIN)和VOL(MAX)规格分别为2.498V和0.001V。用式1，输出级由一个为(2.498V+0.001V)/2=1.249V的VREF偏置， 以获得最大输出动态范围， 避免输出级的饱和。在所述50 增益时， 为避免输出级饱和而能够施加的最大差分输入电压为( 2.498V + 0.001V )/( 2×50 )，约25mV。

能量采集

凌利尔特公司电源产品营销总监TonyArmstrong描述了用可再生能源为远程无线结点供电的情况，只要有正确的采集、电源管理与电池充电设备，就可以高效地获得能源(见附文：“无线传感器网络采集更多真实数据服务于更多公用事业设施”)。可再生能源正在为能源转换和现有能源的更高效使用提供广泛的机会，也为能源采集器件提供了一个机会，帮助为无线传感器网络提供电能。这些无线传感器已普遍用于楼宇自动化和前瞻性维护应用。

Armstrong指出，能源采集的传统方式是通过太阳能电池板和风力发电机，但新出现的能源采集工具能够从各种环境源中产生电能。例如，热电发电机将热能转化为电能，压电元件转换机械振动，光伏电池转换太阳光(或任何光子源)，而电化法是从湿度获得能量。这样就能够为远处的传感器提供电源，或为某种存储设备充电，如电容或薄膜电池。于是，远方地点的微处理器或发射器就有电能供应，而无需在当地设立电源。

凌利尔特公司的能源采集产品提供了各种解决方案(表1)。各系列产品的规格各不相同，但该公司大力宣传的是小于6μA、最低可至450nA的典型静态电流，起动电压低至20mV，输入电压能够达到连续34V，40V瞬态，还能处理交流输入，具有多输出能力和自动的系统电源管理功能，自动极性转换，对太阳能输入的最高功率点控制，可从小到1度温差中获取能源的能力，以及紧凑的解决方案体积。

由于太阳能的功率是变化不定的，几乎所有太阳能供电设备都要使用可充电电池。显然，其目标是获得尽可能多的太阳能源，为这些电池快速充电，以维持它们的充电状态。

虽然太阳能电池天生就是转换效率低的设备，但它们也有一个最大输出功率点，因此在这个点上工作就是一个明确的设计目标。Armstrong发现，问题是最大输出功率的IV特性会随光照而改变。单晶硅太阳能电池的输出电流与光强度成正比，而在最大功率输出时的电压却相对恒定。确定光强度下的最大功率输出发生在每个曲线的拐点处，此时，太阳电池从一个恒压设备转变为一个恒流设备(图6)。

因此，一个能从太阳能板高效获得能量的充电器设计，必须能在光照水平无法满足充电器满功率需求时，将太阳能板的输出电压控制在最大功率点。凌利尔特公司针对太阳能应用的LT3652多化学种类2A电池充电器采用了一个输入稳压回路，通过一个简单的分压网络，当输入电压跌到一个预设的电平以下时，会减小充电电流。当用太阳能板供电时，输入稳压回路可将太阳能板维持在接近峰值输出水平。

集成的AFE方案

完整的传感器解决方案需要解决传感器驱动与输出需求、采样速率、信号路径校正、性能、传感器诊断，以及功耗需求等问题。简化开发周期以及减少开发时间，可能意味着更快地进入市场，每年做出更多的设计。不过， 大多数现行方案只解决了其中少数问题， 用分立元件开发既耗时又复杂。

德州仪器公司的可配置传感器AFE ( 模拟前端) IC 与WebenchSensor AFE Designer是一个集成化软硬件开发平台的组成部分，工程师可以用它来选择传感器， 设计并配置解决方案， 然后几分钟之内就能下载配置。工程师可以在线或在工作台上立即评估整个信号路径解决方案。

在食品加工、水质量管理以及化学处理等行业的精确pH值测量中面临着一些设计挑战， 包括极端温度变化、高输出阻抗、偏移以及漂移等。TI称它的LMP91200可配置AFE提供了一个集成pH传感器的AFE电路，可与所有现有pH传感器连接，是传感器与微处理器之间的桥梁( 图7)，它以一个集成化的小尺寸解决了这些设计挑战。

另外， TI 的LMP91050NDIR( 非分光红外) 气体检测AFE 也支持多个温差电堆传感器，用于NDIR检测、室内空气质量监测、按需控制的通风、HVAC、饮酒呼气分析、温室气体监测， 以及氟里昂检测等(图8)。

附文：无线传感器网络采集更多真实数据服务于更多公用事业设施

无线传感器网络( WSN )正在改变信息收集的方式，使我们更容易从现实世界获取更多的数据。部署一个有线传感器网络的成本通常是传感器本身成本的10~10 0 倍。据凌利尔特公司尘埃网产品部集团总裁Joy Weiss称，WSN的实际价值在于，你可以把一只传感器放到任何地方，不仅是已经有电源线和通信线路的地方，还包括任何想要测量或为一个系统增加控制点的地方。

Weiss举了下面这些因WSN而实现的应用例子：

Vigilent根据其M3闭路控制技术，提供智能能源管理系统，用于数据中心、电信公司以及大型商用建筑。为了收集整个数据中心必要的温度和湿度数据，传感器要做广泛和高密度的分布。然而，对数据中心来说，对通信布线和电源布线做翻新是不现实的，成本高昂。Vigilent采用无线传感器结点解决了这些问题。Vigilent为自己的产品选择了凌利尔特公司的DustNetworks SmartMesh解决方案，认为它是低功耗、高可靠性和强大安全性的关键成功要素。

Emerson Process Management帮助实现化学品、油气、炼油、纸浆造纸、电力、水与废水处理、金属采矿、食品饮料、生命科学以及其它行业的生产、加工和配送的自动化。Emerson的Smart Wireless产品与解决方案基于IEC 62591无线标准，采用了凌利尔特/Dust的SmartMeshWirelessHART产品，扩展了预测智能，超出了以前的物理与经济性范围。

Streetline为城市、车库、机场、大学以及其它泊车商提供智能泊车解决方案(如图所示)，目标是通过采用传感器的移动与Web应用，使智能城市成为现实。Streetline需要一个足够强健的无线网络解决方案，它能在严酷和动态变化的街面情况下工作，街道可能既广又密，可能数年时间不能更换电池。Streetline的智能泊车解决方案在一个覆盖整个好莱坞/洛杉矶区的无线网格网络中采用了凌利尔特/Dust的SmartMesh技术。人行道里预埋的无线传感器可跟踪空出来的泊车位,然后将信息以无线方式发送给智能手机用户。