本教程介紹了用于壓力、溫度、電流、光線和接近檢測的最常用傳感器傳感器類型的傳感器信號鏈。本文介紹了選擇信號路徑的復(fù)雜性。示例電路和框圖可幫助讀者選擇一組最佳零件以滿足其設(shè)計需求。

壓力傳感器和電子秤（力傳感）

概述

檢測和測量壓力和重量的需求是現(xiàn)代工業(yè)控制和系統(tǒng)監(jiān)控的一個非常普遍的要求。壓力測量尤其重要，因為它也間接用于測量流量、高度和其他屬性。壓力和重量測量設(shè)備可以被視為“力傳感器”，因為力是影響傳感器輸出的特性。力傳感器的應(yīng)用范圍很廣，從真空計到重型機械稱重秤、工業(yè)液壓設(shè)備和用于內(nèi)燃機的歧管絕對壓力 （MAP） 傳感器。每種應(yīng)用對精度、準確度和成本都有其不同的需求。

雖然有幾種測量壓力和重量（力傳感）的方法和技術(shù)，但最常用的測量元件是應(yīng)變片。

兩種最常見的應(yīng)變片類型是用于各種重量/壓力傳感器的金屬箔型，以及廣泛用于測量壓力的基于半導(dǎo)體的低阻式傳感器。與金屬箔型換能器相比，壓阻式換能器更靈敏，線性度更好，但溫度依賴性大，初始偏移大。

原則上，所有應(yīng)變片都通過改變電阻值來對施加的力做出反應(yīng)。因此，在存在電激勵的情況下，它們有效地將壓力或重量轉(zhuǎn)換為電信號。通常，這些有源電阻元件（應(yīng)變片）中的一個、兩個或四個排列在惠斯通電橋配置（有時稱為稱重傳感器）中，以產(chǎn)生響應(yīng)壓力或重量的差分輸出電壓。

工程師可以設(shè)計滿足各種力傳感應(yīng)用獨特要求的傳感器模塊。成功的設(shè)計將包括適合物理特性的傳感元件和適當(dāng)設(shè)計的信號鏈。

力檢測應(yīng)用中的信號鏈框圖。

完整的信號鏈解決方案

傳感器信號鏈必須在存在噪聲的情況下處理極小的信號。精確測量電阻式傳感器輸出電壓的變化需要提供以下電氣功能的精密電路：激勵、放大、濾波和采集。某些解決方案可能還需要使用數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)來實現(xiàn)信號處理、誤差補償、數(shù)字增益和用戶可編程性。

興奮

傳感器激勵通常使用具有低溫度漂移的準確穩(wěn)定的電壓或電流源。傳感器輸出與激勵源成比例（通常以mV/V表示）。因此，該設(shè)計通常具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和激勵電路的公共基準，或者使用激勵電壓作為ADC的基準。額外的ADC通道可用于精確測量激勵電壓。

傳感器/電橋

信號鏈的這一部分由以稱重傳感器（惠斯通電橋格式）排列的應(yīng)變片傳感器組成，如上面的概述部分所述。

放大和電平轉(zhuǎn)換—模擬前端 （AFE）

在某些設(shè)計中，傳感器的輸出電壓范圍將非常小，所需的分辨率達到納伏范圍。在這種情況下，傳感器的輸出信號在施加到ADC的輸入之前必須被放大。為防止此放大步驟引入誤差，具有極低失調(diào)電壓（V操作系統(tǒng)），并且必須選擇低溫和失調(diào)漂移。惠斯通電橋的一個缺點是共模電壓遠大于目標信號。這意味著LNA還必須具有出色的共模抑制比（CMRR），通常大于100dB。當(dāng)使用單端ADC時，在采集之前需要額外的電路來消除大共模電壓。此外，由于信號帶寬較低，放大器的1/f噪聲可能會引入誤差。因此，經(jīng)常使用斬波穩(wěn)定放大器。其中一些嚴格的放大器要求可以通過使用超高分辨率ADC滿量程范圍的一小部分來避免。

采集—ADC

選擇ADC時，請查看無噪聲范圍或有效分辨率等規(guī)格，這些規(guī)格表明ADC區(qū)分固定輸入電平的能力。替代術(shù)語可能是范圍內(nèi)的無噪聲計數(shù)或代碼。大多數(shù)高精度ADC數(shù)據(jù)手冊將這些規(guī)格顯示為峰峰值噪聲或RMS噪聲與速度的關(guān)系表;有時，規(guī)格以圖形方式顯示為噪聲直方圖。

ADC的其他考慮因素包括低失調(diào)誤差、低溫漂移和良好的線性度。對于某些低功耗應(yīng)用，速度與功耗是另一個重要標準。

濾波

換能器信號的帶寬通常很小，對噪聲的敏感性很高。因此，通過濾波來限制信號帶寬以降低總噪聲是有用的。使用Σ-Δ型ADC可以簡化噪聲濾波要求，因為該架構(gòu)中固有的過采樣。

數(shù)字信號處理 （DSP） — 數(shù)字領(lǐng)域

除了模擬信號處理外，捕獲的信號在數(shù)字域中進一步處理，以進行信號提取和降噪。通常會找到迎合特定應(yīng)用程序及其細微差別的集中算法。還有一些通用技術(shù)，如失調(diào)和增益校正、線性化、數(shù)字濾波和基于溫度（和其他相關(guān)因素）的補償，這些技術(shù)通常應(yīng)用于數(shù)字域。

信號調(diào)理/集成解決方案

在一些集成解決方案中，所有必需的功能模塊都集成到單個IC中，通常稱為傳感器信號調(diào)理器。信號調(diào)理器是一種專用IC（ASIC），通常在一定溫度范圍內(nèi)對輸入信號進行補償、放大和校準。根據(jù)信號調(diào)理器的復(fù)雜程度，ASIC 集成了以下部分或全部模塊：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、溫度傳感器和數(shù)字接口。

通常使用兩種類型的信號調(diào)理器：模擬信號路徑調(diào)理器（模擬調(diào)理器）和數(shù)字信號路徑調(diào)理器（數(shù)字調(diào)理器）。模擬調(diào)理器具有更快的響應(yīng)時間，并提供連續(xù)輸出信號，反映輸入信號的變化。他們通常有一個硬連線（不靈活）的補償方案。數(shù)字調(diào)理器通常基于微控制器，由于ADC和DSP例程引入延遲，響應(yīng)時間較慢。應(yīng)審查ADC分辨率，以盡量減少量化誤差。數(shù)字信號調(diào)理器的最大優(yōu)點是補償算法的靈活性，可以適應(yīng)用戶的應(yīng)用。

溫度傳感

概述

溫度檢測對于在工業(yè)系統(tǒng)中實現(xiàn)三個關(guān)鍵功能至關(guān)重要。

溫度控制，例如在烤箱、制冷和環(huán)境控制系統(tǒng)中，取決于溫度測量來做出加熱/冷卻決策。

各種傳感器、振蕩器和其他組件的校準通常隨溫度而變化。因此，必須測量溫度以確保敏感系統(tǒng)組件的精度。

保護組件和系統(tǒng)免受破壞性的溫度偏移。溫度檢測確定要采取的適當(dāng)操作。

熱敏電阻、RTD、熱電偶和IC是當(dāng)今使用最廣泛的溫度檢測技術(shù)。每種設(shè)計方法都有自己的優(yōu)勢（例如，成本、精度、溫度范圍），使其適用于特定應(yīng)用。下面將討論這些技術(shù)中的每一種。

除了業(yè)界最全面的專用溫度傳感器IC系列外，Maxim還生產(chǎn)系統(tǒng)與熱敏電阻、RTD和熱電偶接口所需的所有元件。

熱敏電阻

熱敏電阻是溫度相關(guān)的電阻器，通常由金屬氧化物陶瓷或聚合物等半導(dǎo)體材料制成。最廣泛使用的熱敏電阻具有負電阻溫度系數(shù)，因此通常被稱為NTC。還有正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻。

熱敏電阻特性包括中等溫度范圍，通常高達+150°C，盡管有些能夠承受更高的溫度;低到中等成本取決于精度;以及較差但可預(yù)測的線性度。熱敏電阻采用探頭、表面貼裝封裝、裸引線和各種專用封裝。Maxim還生產(chǎn)MAX6682和MAX6698等IC，可將熱敏電阻轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。

熱敏電阻通常連接到一個或多個固定值電阻以形成分壓器。分壓器的輸出通常由ADC數(shù)字化。熱敏電阻的非線性可以通過查找表或計算來校正。

即時熱飲器

電阻溫度檢測器（RTD）是電阻隨溫度變化的電阻器。鉑金是最常見、最精確的線材;鉑RTD被稱為Pt-RTD.鎳，銅和其他金屬也可用于制造RTD。

RTD特性包括高達+750°C的寬溫度范圍、出色的精度和可重復(fù)性以及合理的線性度。對于Pt-RTD，0°C時最常見的標稱電阻值為100Ω和1kΩ，但也提供其他值。

RTD的信號調(diào)理可以像將RTD與精密固定電阻組合以創(chuàng)建分壓器一樣簡單，也可以更復(fù)雜，特別是對于寬范圍溫度測量。常見的方法包括精密電流源、基準電壓源和高分辨率ADC，如圖1所示。線性化可以通過查找表、計算或外部線性電路執(zhí)行。

圖1.簡化的RTD信號調(diào)理電路。

熱電偶

熱電偶是通過連接兩根不同金屬線制成的。導(dǎo)線之間的接觸點產(chǎn)生與溫度大致成比例的電壓。有幾種熱電偶類型由字母表示。最受歡迎的是K型。

熱電偶特性包括高達 +1800°C 的寬溫度范圍;低成本，取決于包裝;K型器件的極低輸出電壓約為40μV/°C;合理的線性度;以及中等復(fù)雜的信號調(diào)理，即冷端補償和放大。

用熱電偶測量溫度有些困難，因為熱電偶的輸出很低。測量更加復(fù)雜，因為在熱電偶線接觸連接到信號調(diào)理電路的銅線（或走線）處會產(chǎn)生額外的熱電偶。該接觸點稱為冷端（見圖2）。為了使用熱電偶精確測量溫度，必須在冷端添加第二個溫度傳感器，如圖3所示。然后將在冷端測量的溫度添加到熱電偶電壓測量指示的值中。圖3中的示例電路顯示了一種實現(xiàn)方案，其中包括許多精密元件。

圖2.簡單的熱電偶電路。金屬1和金屬2之間的結(jié)是主要的熱電偶結(jié)。金屬1和金屬2線與測量設(shè)備的銅線或PCB板（PCB）走線連接的地方存在其他熱電偶。

除了圖3所示的所有元件外，Maxim還生產(chǎn)MAX6674和MAX6675，它們?yōu)镵型熱電偶提供信號調(diào)理功能。這些器件簡化了設(shè)計任務(wù)，并顯著減少了放大、冷端補償和數(shù)字化熱電偶輸出所需的元件數(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利用硅PN結(jié)的線性和可預(yù)測的熱特性。由于它們是使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝構(gòu)建的有源電路，因此這些IC具有多種形式。它們包括許多功能，如數(shù)字接口、ADC 輸入和風(fēng)扇控制功能，這是其他技術(shù)所不具備的。溫度傳感器 IC 的工作溫度范圍低至 -55°C，最高可達 +125°C，少數(shù)產(chǎn)品的工作上限約為 +150°C。 以下是常見類型的溫度傳感器 IC 的說明。

模擬溫度傳感器

模擬溫度傳感器IC將溫度轉(zhuǎn)換為電壓，或者在某些情況下轉(zhuǎn)換為電流。最簡單的電壓輸出模擬溫度傳感器只有三個有源連接：接地、電源電壓輸入和輸出。其他具有增強功能的模擬傳感器具有額外的輸入或輸出，例如比較器或基準電壓輸出。

模擬溫度傳感器利用雙極晶體管的熱特性來產(chǎn)生與溫度成比例的輸出電壓。增益和失調(diào)施加到該電壓上，以提供傳感器輸出電壓和芯片溫度之間的便捷關(guān)系。溫度精度可以非常好。例如，DS600是業(yè)界最精確的模擬溫度傳感器，在-0°C至+5°C范圍內(nèi)保證誤差小于±20.100°C。

本地數(shù)字溫度傳感器

將模擬溫度傳感器與ADC集成是創(chuàng)建具有直接數(shù)字接口的溫度傳感器的明顯方法。這種設(shè)備通常稱為數(shù)字溫度傳感器或本地數(shù)字溫度傳感器。“本地” 表示傳感器測量其自身溫度。此操作與測量外部IC或分立晶體管溫度的遠程傳感器形成鮮明對比。

基本數(shù)字溫度傳感器只需測量溫度，并允許通過多個接口讀取溫度數(shù)據(jù)，包括1線、I2C、PWM和3線?。更復(fù)雜的數(shù)字傳感器還提供其他功能，例如過熱/欠溫輸出、為這些輸出設(shè)置跳變閾值的寄存器以及EEPROM。Maxim生產(chǎn)多種本地數(shù)字溫度傳感器，包括DS7505和DS18B20，可在較寬的溫度范圍內(nèi)保證±0.5°C的精度。

遠程數(shù)字溫度傳感器

遠程數(shù)字溫度傳感器也稱為遠程傳感器或熱二極管傳感器。遠程傳感器測量外部晶體管的溫度，可以是分立晶體管，也可以是集成在另一個IC芯片上的晶體管，如圖4所示。微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和ASIC通常包括一個或多個檢測晶體管，通常稱為熱二極管，類似于圖4所示。

圖4.遠端溫度傳感器MAX6642用于監(jiān)測外部IC芯片上檢測晶體管（或熱二極管）的溫度。

遠程溫度傳感器有一個重要優(yōu)勢：它們允許您使用單個IC監(jiān)控多個熱點。基本的單路遙感傳感器（如圖6642中的MAX4）可以監(jiān)測兩種溫度：自身溫度和外部溫度。外部位置可以位于目標IC的芯片上，如圖4所示，也可以位于使用分立晶體管監(jiān)控的電路板上的熱點。一些遠程傳感器監(jiān)測多達七個外部溫度。因此，由IC和電路板熱點組成的八個位置從單個芯片進行監(jiān)控。以MAX6602為例。該溫度傳感器具有四個遠端二極管輸入，因此可以監(jiān)測一對集成熱二極管的FPGA的溫度、使用分立晶體管的兩個電路板熱點以及MAX6602位置的電路板溫度。本文提到的MAX6602和MAX6642在讀取外部熱二極管時均達到±1°C的精度。

電流、光和接近檢測

概述

電流檢測在許多應(yīng)用中都很重要，可分為兩種常用方法。

在一種方法中，電流檢測通常用于更高的電流，并且通常用于電源監(jiān)控。典型應(yīng)用包括短路檢測、瞬態(tài)檢測和電池反接檢測。

電流檢測還用于需要低得多電流檢測水平（以微安為單位）的應(yīng)用，例如光電二極管，當(dāng)暴露在光線下時會產(chǎn)生少量電流。常見應(yīng)用包括環(huán)境光傳感、接近檢測和基于光吸收/反射的化學(xué)過程監(jiān)測。

這些電流檢測技術(shù)采用多種配置的電流檢測放大器或跨阻放大器（TIA）。

使用電流檢測放大器進行電流檢測

測量電流的技術(shù)多種多樣，但迄今為止最流行的是使用檢流電阻。這種方法的基本原理是使用基于運算放大器的差分增益級放大檢流電阻兩端的壓降，然后測量產(chǎn)生的電壓。雖然分立元件可用于構(gòu)建放大器電路，但集成電流檢測放大器與分立式方案相比具有顯著優(yōu)勢：更好的溫度漂移、更小的 PC 板 （PCB） 面積以及處理寬共模范圍的能力。

大多數(shù)電流檢測應(yīng)用采用低邊或高邊原理。在低邊技術(shù)中，檢測電阻與接地路徑串聯(lián)。電路處理，輸出電壓以地為參考。然而，低側(cè)檢測電阻會在接地路徑中增加不需要的外來電阻。采用高端原理，檢測電阻與正電源電壓串聯(lián)。這里的負載接地，但高端電阻必須處理相對較大的共模信號。

電流檢測應(yīng)用中的信號鏈框圖有關(guān)Maxim推薦的電流檢測方案列表，請訪問：www.maximintegrated.com/detect。

Maxim的高邊電流檢測放大器采用電流檢測電阻，位于電源正端和監(jiān)控電路的電源輸入之間。這種布置避免了接地層中的外來電阻，大大簡化了布局，并且總體上提高了整體電路性能。Maxim的單向和雙向電流檢測IC包括帶或不帶內(nèi)部檢測電阻的器件。

使用跨阻放大器 （TIA） 進行光檢測

第二種最流行的電流測量技術(shù)使用具有極低輸入偏置電流的運算放大器，如TIA，它將電流輸入轉(zhuǎn)換為電壓輸出。該原理適用于變化大得多的電流，例如光電二極管在光傳感應(yīng)用中產(chǎn)生的電流。

簡單的光電二極管是一種非常精確的光傳感器，用于感測光。光傳感用于許多不同的應(yīng)用，從基于太陽光的電源管理到復(fù)雜的工業(yè)過程控制應(yīng)用。由于給定情況下的照度可以在很寬的范圍內(nèi)變化（例如，從20klx到100klx），因此寬動態(tài)范圍可能是光傳感器的關(guān)鍵要求。MAX44007或MAX44009等集成方案集成了光電二極管、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），提供0.025lx至104，000lx （MAX44007）和0.045lx至188，000lx （MAX44009）的動態(tài)范圍。

使用光電二極管進行接近感應(yīng)

雖然接近感應(yīng)可以通過多種方式完成，但與其他方法相比，使用光電二極管可提供更高的精度并節(jié)省更多功率。當(dāng)光照射到光電二極管時，會產(chǎn)生與光強度成比例的電流。具有低輸入噪聲和高帶寬的緩沖級將該電流傳輸?shù)较到y(tǒng)的其余部分。具有低輸入電流噪聲的放大器，如MAX9945，可提供精確的測量。

傳感器通信接口

傳感器通過模擬或數(shù)字技術(shù)傳達其感測信息。模擬技術(shù)基于電壓或電流環(huán)路。數(shù)字信息與CAN，CompoNet?，IO-Link?，RS-485和其他數(shù)據(jù)接口進行通信。

二進制傳感器僅傳輸單位信息。通常，檢測對象是否存在并與邏輯電平進行通信。此外，當(dāng)閥門中的活塞等物體達到預(yù)定義的臨界距離時，傳感器會檢測到并通過二進制接口將其傳送給可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)。

傳感器接口必須能夠抵御各種形式的誤操作和EMI，因為工業(yè)環(huán)境非常惡劣。

審核編輯：郭婷