传感器测量各种不同的模拟现象

今天传感器无处不在。我们的智能手机和平板电脑都装有它们。我们的汽车有温度传感器、图像传感器和压力传感器。我们的家庭环境变得越来越精明。

传感器测量各种不同的模拟现象：

我们手机上关闭显示屏的接近传感器

调节背光的光传感器

通过我们城市管道的空气、化学品和水流量传感器

炼油厂的化学传感器

当地微型啤酒厂的温度、液位和其他环境传感器

传感器输出模拟值后，下一步是将信号转换为可用格式。什么样的信号调理和模数转换最好？本文着眼于这些问题。

对于上述所有传感器，模拟信号可能会有很大差异。一些传感器，例如 pH/化学传感器，提供高阻抗输出。许多其他信号提供非常低电平的信号，很难从噪声中提取真实信息。而其他的，例如热电偶，会产生非线性信号，并且每种类型都不同。

低电平电压信号

压力是世界上监测较多的信号之一。带有惠斯通电桥的压力传感器用于工业应用。例如，杂货店的压力传感器称量午餐肉，但它们也可用于仓库传送带内的动态秤，这对高精度和宽动态范围至关重要。

图 1 显示了桥式传感器的一个示例，其中在 +Vout 和 -Vout 之间产生了一个输出电压，该电压取决于激励电压差和对可变电阻器的影响。桥式传感器通常输出几毫伏量级的电压。典型的压缩范围为 1,000:1，其中 1V 的总激励电压差会在两个输出之间产生 1mV 的最大值。可以增加激励电压，但会消耗更多功率。 

图 1：惠斯通电桥根据励磁电压和抗压抗拉力提供输出。

1 mV 的最大范围不能提供非常大的动态范围来从本底噪声中获取感兴趣的信号，本底噪声通常低至几微伏或几十微伏。所有桥式传感器后面都将有一个放大器或可编程增益放大器 (PGA)。这通常会跟随一个 A/D 转换器。大多数 A/D 提供 3 V 或 5 V 的最大输入范围，因此您需要将 1 mV 桥式传感器信号放大到使用所有（或更多）A/D 可用电压范围的信号。

许多公司提供独立的放大器，可配置外部电阻器或数字电位器以获得放大器增益。许多还提供可配置 SPI 接口的 PGA。带有集成 PGA 的 sigma-delta A/D 转换器通常是当今的最佳选择。这些设备的数量在过去 10 年中大幅增长。其中许多具有 16 位、20 位或 24 位 A/D 对话，并且集成的 A/D 加 PGA 可实现尽可能低的噪声。

我们来看看仓库输送带秤。这些仓库运送货物的速度越快，其吞吐量和利润率就越高。能够在包裹从一个站点移动到另一个站点的同时动态测量包裹重量变得越来越普遍。由于这些仓库以各种重量运送货物，因此需要宽动态范围和低噪音，以及相对较快的采样率。

该电路的一个示例 IC 是 MAX11270，它提供了采样率、宽动态范围和低噪声的良好组合。其最大采样率为 64 ks/s，PGA 的噪声电平为 6.5 nV/√Hz。该器件可以在 1-ks/s 的采样率下实现 21.0 的有效位数 - 或优于 200 万分之一。

高阻抗化学传感器

在过程控制等应用中，化学传感器对于将成分混合保持在正确水平至关重要。大多数人很容易想象小型啤酒厂。在酿造过程中，成分的混合对于确保消费者获得可重复（且令人愉悦）的口味至关重要。

测量 pH 值的传感器通常用于此过程控制。它们具有高阻抗电极信号输出。需要一个具有非常小的输入偏置电流的放大器来将此阻抗信号转换为更容易测量的信号。对于化学传感器，需要皮安级甚至毫微微安级的输入偏置电流来降低总误差。在这里，有必要深入研究数据表并确认应用所需温度范围内的规格。

许多低输入偏置电流运算放大器可供选择。其中之一是 MAX44242。虽然它的输入偏置电流没有其他一些 JFET 放大器那么低，但它比标准放大器低几个数量级，对于这种传感器接口来说是一个不错的选择。图 2 详细说明了器件在整个温度范围内的输入偏置电流规格。

图 2. MAX44242 输入偏置电流在整个温度范围内最大为 50pA。

Maxim 的教程 717 深入解释了各种电压放大器类型的关键放大器规格，以及温度对所有这些规格的影响。

通信和数据中心设计

接下来，让我们考虑一个设计成基站或数据中心等应用程序的复杂处理器板。这些电路板在每一代都继续消耗更高的功率，同时也试图挤进更小的空间。更高的数据速率会产生更高的功耗和更高的温度。每一代的测量温度都变得越来越重要。一些 ASIC 或 FPGA 将具有内部温度传感器。有些将包括输出模拟信号的热敏二极管。在其他情况下，电路板设计人员将在大功率 IC 周围添加自己的传感器。

如果系统设计人员需要外部温度传感器，则有多种选择，包括具有模拟输出、数字输出或温度开关的全缓冲 IC，使接口变得容易。封装的选择提供了另一种灵活性。虽然大多数温度传感器采用表面贴装封装，例如 SOIC 或 SOT23，但也可以选择将温度传感器从板上取下，以获得更准确的空气温度读数。 

图 3：电路板设计使用带引线的温度传感器来测量进气和排气之间的温差。

图 3 和图 4 包括一个带引线的板外温度传感器的示例。示例器件 DS18B20 传感器采用 3 引脚 TO-92 封装。在大型处理器、ASIC 或 FPGA 旁边放置一个表面贴装温度传感器封装可能会导致温度结果与电路板上的另一点有很大差异。知道大功率 IC 旁边的电路板温度的两种方法都有争论，但含铅封装会提供更好的气流温度读数。PCB 板层中的热量可能会扭曲 SMT 设备的温度读数。许多复杂的基站和数据中心电路板设计人员将一个传感器放置在空气输入端，另一个放置在气流输出端。

图：4：DS18B20 温度传感器只有 3 个带 1 线串行输出的引脚。

　　审核编辑：汤梓红