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本设计指南阐述了常见传感器变送器的信号链路,适用于压力、温度、电流、光信号检测以及接近检测。文章介绍了信号通道错综复杂的选择,其中给出的设计案例和原理框图有助于读者选择最佳器件,以满足系统的不同需求。

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压力传感器和称重(加载/感应)

概述

在现代工业控制和系统监测领域,通常需要监测、测量压力和重量。由于压力可直接用来测量流体、高度及其它物理量,压力测量尤其重要。由于加载是影响传感器输出的一项属性,压力、重量测量装置可以看作是“加载传感器”。加载传感器的应用非常广泛,包括从真空计到重型机械称重,以及工业液压设备、绝对压力传感器(MAP)等各个领域。每种应用对精度、准确度和成本都有不同的具体需求。

压力传感器

虽然压力和重量(加载/感应)的测量方法和技术有许多,但最常用的测量装置是应力计。

最常见的应力计有两种:一种是重量/压力传感器大多采用的金属箔;另一种是基于半导体的压阻式传感器,广泛用于压力测量。相对于金属箔传感器,压阻式传感器灵敏度更高,线性度也更好,但容易受温度的影响,并有一定的初始偏差。

从原理上讲,所有应力计在受到外力时都会改变电阻值。因此,有电信号激励时,即可有效地将压力、重量转换成电信号。通常在惠斯通电桥(有时称为测压元件)上放置1个、2个或4个这样的有源电阻元件(应力计),从而产生与压力或重量对应的差分输出电压。

工程师可以设计一种能够满足多种加载/感应系统需求的传感器模块。一款成功的设计需要包括用于检测物理量的传感器元件和设计合理的信号链路。

加载/感应系统的信号链路框图。关于Maxim推荐的压力传感器方案的详细信息,请访问:china.maxim-ic.com/psi。
加载/感应系统的信号链路框图。关于Maxim推荐的压力传感器方案的详细信息,请访问:china.maxim-ic.com/psi。

完备的信号链路方案

传感器信号链路必须能够处理带有噪声的弱信号。为了准确测量电阻式传感器输出电压的变化,电路必须具备以下功能:激励、放大、滤波和采集。有些解决方案可能还要求采用数字信号处理(DSP)技术对信号进行处理、误差补偿、数字放大以及用户可编程操作。

激励

具有极低温漂的高精度、稳定的电压或电流源常常用作传感器激励。传感器输出与激励源成比例(往往以mV/V表示)。因此,设计时,模/数转换器(ADC)和激励电路通常采用一个公共基准,或者将激励电压作为ADC的基准。可以利用附加的ADC通道精确测量激励电压。

传感器/电桥

信号链路的这部分功能包括应力传感器,它被放置在测压元件(惠斯通电桥设计)部分,如上文中的“概述”部分。

放大和电平转换—模拟前端(AFE)

有些设计中,传感器输出电压范围非常小,要求分辨率达到nV级。这种情况下,在将传感器输出信号送至ADC输入之前,必须对信号进行放大。为了防止放大阶段引入误差,需要选择低失调电压(VOS)、低温漂的低噪声放大器(LNA)。惠斯通电桥的缺点是共模电压远远大于有用信号。这意味着LNA还必须具有非常高的共模抑制比(CMRR),通常大于100dB。如果采用单端ADC,则需附加电路在数据采集之前消除较高的共模电压。此外,由于信号带宽很窄,放大器的1/f噪声也会引入误差。因此,最好采用斩波稳定放大器。使用分辨率非常高的ADC,占用满量程范围的一小部分有助于降低对放大器的苛刻要求。

采集—ADC

选择ADC时需严格确认其技术指标,例如:无噪声范围或有效分辨率,该指标表示ADC能够辨别固定输入电平的能力。一种替代指标是无噪声计数或编码。大多数高精度ADC的数据资料把这些指标表示为噪声峰值或RMS噪声与速度的对应关系表,有时也以噪声直方图的形式表示这些指标。

其它需要考虑的ADC指标包括:低失调误差、低温漂及优异的线性度。对于特定的低功耗应用,速度与功耗的关系也是非常重要的规格。

滤波

传感器信号的带宽一般很窄,对噪声的敏感度较高。因此,通过滤波限制信号的带宽可显著降低总体噪声。利用Σ-Δ ADC能够简化噪声滤波要求,因为这种架构提供固有的过采样特性。

数字信号处理(DSP)—数字域

除模拟信号调理外,为了提取信号并降低噪声,还需要在数字域对所采集的信号作进一步处理。通常需要找到针对具体应用及其细微差别的算法。有些通用算法,例如,数字域的失调和增益校准、线性化处理、数字滤波和基于温度(或其它制约因素)的补偿。

信号调理/集成方案

有些集成方案把所有需要的功能模块集成在单一芯片,通常称为传感器信号调理器IC。信号调理器是一种专用IC (ASIC),它对输入信号进行补偿、放大和校准,能够覆盖较宽的温度范围。根据对信号调理器的不同精度要求,ASIC会集成以下全部或部分模块:传感器激励电路、数/模转换器(DAC)、可编程增益放大器(PGA)、模/数转换器(ADC)、存储器、多路复用器(MUX)、CPU、温度传感器以及数字接口。

常见的信号调理器有两种类型:模拟信号通路的调理器(模拟调理器)和数字信号通路的调理器(数字调理器)。模拟调理器的响应时间较快,提供连续的输出信号,反映输入信号的实时变化。它们通常采用硬件补偿机制(不够灵活)。数字调理器往往基于微控制器,由于ADC和DSP算法具有一定的执行时间,响应时间较慢。应该考虑ADC的分辨率,将量化误差降至最小。数字信号调理器的最大好处是提供灵活的补偿算法,可根据用户的应用进行调整。


温度检测

概述

温度检测在工业系统中的主要作用表现在三个方面。
  1. 温度控制,例如恒温炉、冷冻箱和环境控制系统,根据实测温度判断实施加热/致冷操作。

  2. 校准各种传感器、振荡器及其它经常随温度变化的元件。由此,必须通过测量温度确保敏感系统元件的精度。

  3. 保护元件和系统在极端温度下不被损坏。温度检测决定所要采取的相应措施。
温度检测

热敏电阻、RTD、热电偶和IC是目前应用最广的温度检测技术。每种设计方案都有其自身的优势(例如成本、精度、测温范围),适合不同的特定应用。以下将逐一讨论这些技术。

除提供业内最全面的专用温度传感器IC外,Maxim还推出了系统与热敏电阻、RTD及热电偶接口所需的任何器件。

温度检测应用的信号链路框图。关于Maxim推荐的温度传感器解决方案的完整信息,请访问:china.maxim-ic.com/-40+85。
温度检测应用的信号链路框图。关于Maxim推荐的温度传感器解决方案的完整信息,请访问:china.maxim-ic.com/-40+85。

热敏电阻

热敏电阻的阻值取决于温度,一般由半导体材料制成,如金属氧化物陶瓷或聚合物。应用最广泛的热敏电阻是负温度系数电阻,因此,热敏电阻通常称为NTC。同样,也存在正温度系数的热敏电阻(PTC)。

热敏电阻能够测量中等温度范围,通常最高可达+150°C,有些热敏电阻可以测量更高温度;根据精度的不同,成本一般在中、低端;线性度虽然较差,但可预测。热敏电阻可以是探头、表贴封装、裸线等不同形式的专用封装。Maxim提供能够将热敏电阻阻值转换为数字信号的IC,如MAX6682和MAX6698。

热敏电阻往往连接一个或多个固定阻值电阻,形成分压器。分压器输出通常经过ADC进行数字转换。利用查找表或通过计算对热敏电阻的非线性进行修正。

RTD

电阻温度检测器(RTD)是一种阻值随温度变化的电阻。铂是最常见、精度最高的金属丝材料。铂RTD称为Pt-RTD,镍、铜及其它金属亦可用来制造RTD。

RTD具有较宽的测温范围,最高达+750°C,具有较高精度和较好的可重复性,线性度适中。对于Pt-RTD,最常见的电阻值为:0°C时,标称值为100Ω或1kΩ,当然也有其它电阻值。



RTD的信号调理可以非常简单:将RTD与一个精密的固定阻值电阻相连,构成分压器;也可以采用更复杂的信号调理,尤其是在宽温测量中。方案中通常包括:精密电流源、电压基准和高分辨率ADC,如图1所示。利用查找表或通过计算、外部线性化处理电路对传感器进行线性化调整。

图1. RTD信号调理电路简化图
图1. RTD信号调理电路简化图

热电偶

热电偶由两种连接在一起的不同金属制成。金属丝之间的触点所产生的电压与温度近似成比例关系。有几种类型的热电偶分别以字母表示。最常见的热电偶为K型热电偶。

热电偶具有非常宽的测温范围,高达+1800°C;成本很低,具体成本与封装有关;具有较低的输出电压,K型热电偶的输出大约为40µV/°C;线性度适中,并可提供适当的复杂信号调理,即冷端补偿和放大。

由于热电偶输出信号较低,利用热电偶测量温度具有一定难度。由于热电偶金属丝连接到信号调理电路的铜线(或引线)时,在触点位置又会产生额外的热电偶,进一步加剧了测量的复杂性。该触点称为冷端(图2所示)。为了利用热电偶准确测量温度,必须在冷端位置增加第二个温度传感器,如图3所示。然后将冷端测量温度与热电偶测量值相叠加。图3所示电路是一种实施方案,其中包括多款精密元件。


图2. 热电偶电路简化图。金属1和金属2之间的结为主热电偶结。金属1和金属2与测量装置铜线或印制板(PCB)引线的接触位置形成了额外的热电偶。
图2. 热电偶电路简化图。金属1和金属2之间的结为主热电偶结。金属1和金属2与测量装置铜线或印制板(PCB)引线的接触位置形成了额外的热电偶。

除图3所示所有元件外,Maxim还提供用于K型热电偶信号调理的器件MAX6674和MAX6675。这些器件简化了设计任务,并显著降低对热电偶输出放大、冷端补偿及数字化处理的元件数量。

图3. 热电偶信号调理电路示例
图3. 热电偶信号调理电路示例

温度传感器IC

温度传感器IC充分利用了硅PN结所具备的线性度和预知的温度特性等优势。由于这些IC都是采用常规半导体工艺制成的有源电路,可提供各种外形封装。这些器件具备许多功能,例如:数字接口、ADC输入、风扇控制等,这是其它技术无法提供的。温度传感器IC的工作温度范围可低至-55°C、高达+125°C,部分产品的温度上限可以达到+150°C左右。以下介绍了常见的温度传感器IC。


模拟温度传感器

模拟温度传感器IC将温度转换成电压,有些情况下则转换成电流。最简单的电压输出模拟温度传感器只有三个有效端:地、电源输入和信号输出。其它具有增强功能的模拟传感器提供更多的输入或输出,例如比较器或电压基准输出。

模拟温度传感器利用双极型晶体管的温度特性产生与温度成比例的输出电压。对这一电压信号进行放大并施加一定的偏置,可以使传感器输出电压与管芯温度形成适当的变化关系,获得较高的温度测量精度。例如,DS600业内精度最高的模拟温度传感器,在-20°C至+100°C温度范围内保证误差小于±0.5°C。

本地数字温度传感器

将模拟温度传感器与ADC集成在一起即可形成直接输出数字信号的温度传感器。这种器件通常称为数字温度传感器或本地数字温度传感器。“本地”表示传感器测量的是自身温度。这种工作方式相对于远端传感器,后者用于测量外部IC或分立晶体管的温度。

基本的数字温度传感器只是简单地测量温度,温度数据通过各种特定接口读取,接口类型包括:1-Wire®、I²C、PWM和3线。复杂的数字传感器具备更多功能,例如:高温/低温报警输出、设置触发门限的寄存器及EEPROM等。Maxim提供多款本地数字温度传感器,包括DS7505和DS18B20,能够在较宽的温度范围内保证±0.5°C的精度。

远端数字温度传感器

远端数字温度传感器又称为远端传感器或二极管温度传感器。远端传感器用于测量外部晶体管的温度,可以采用分立晶体管,也可以采用集成在另一IC内部的晶体管,如图4所示。微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)及ASIC往往包含一个或多个温度传感器,通常称为温度二极管,与图4所示类似。

图4. 利用远端温度传感器MAX6642监测外部IC管芯的晶体管(或温度二极管)温度
图4. 利用远端温度传感器MAX6642监测外部IC管芯的晶体管(或温度二极管)温度

远端温度传感器具有一个重要优势:可以利用单片IC监测多点温度。一个基本的单芯片远端传感器,例如,图4中的MAX6642,可以监测两个温度:自身温度和外部温度。外部位置可以是目标IC的管芯,如图4所示,也可以是被监测电路板的某个温度监测点(采用分立式晶体管)。有些远端传感器可以监测最多7个位置的外部温度。这样的话,包括IC和电路板的温度监测点在内,单芯片能够监测多达8个位置。以MAX6602为例,该温度传感器具有4路远端二极管输入,能够监测1对集成温度二极管的FPGA、2个电路板的温度监测点(采用分立晶体管)以及MAX6602所在位置的电路板温度。MAX6602和MAX6642在测量外部温度二极管时都能达到±1°C的精度。

电流、光信号及接近检测

概述

电流检测对于很多应用都十分关键,有两种常见的测量方法。
  • 一种方法通常用于大电流检测,往往用来监测电源。典型应用包括:短路检测、瞬态检测以及电池反接检测。

  • 电流检测还用于那些需要检测弱电流(低至微安级)的系统,例如:光照下能够产生极小电流的光敏二极管。典型应用包括环境光检测、接近检测以及基于光吸收/发射的化学过程监测。
这些电流检测技术都使用了电流检测放大器(具有多种配置)或互阻放大器(TIA)。以下分别讨论各种类型的电流检测放大器。

电流表

采用电流检测放大器检测电流

测量电流的技术有多种,但截至目前为止,最常见的是利用检流电阻进行测量。这种方法的基本原理是利用基于运放的差分增益级对检流电阻两端的电压进行放大,然后测量放大后的电压。虽然可以利用分立元件搭建放大电路,但集成电流检测放大器相对于分立设计具有明显优势:极小的温漂、占用极小的印制板(PCB)面积,而且能够处理较宽的共模范围。

多数电流检测设计采用低边或高边检测。在低边检测中,检流电阻与地通路相串联。电路只需处理较低的输入共模电压,输出电压以地为参考。但是,低边检流电阻在接地通路增加了所不希望的电阻。高边检测中,检流电阻与正电源电压相串联。此时负载的一端接地,但高边电阻必须承受相对较大的共模信号。


电流检测信号链路框图。关于Maxim推荐的电流检测方案的完整信息,请访问:china.maxim-ic.com/detect。
电流检测信号链路框图。关于Maxim推荐的电流检测方案的完整信息,请访问:china.maxim-ic.com/detect。

Maxim的高边电流检测放大器把检流电阻连接到电源的正端和被监测电路的电源输入之间。这种设计避免了接地通道的外接电阻,大大简化电路布局,有助于改善电路的总体性能。Maxim提供的单向和双向电流检测IC有些带有内部检流电阻,有些采用外部检流电阻。

利用互阻放大器(TIA)检测光信号

第二种常见的电流测量技术是利用具有极低输入偏置电流的运算放大器,例如TIA,它将电流输入转换成电压输出。这种方法适用于电流非常小、波动较大的应用,例如光检测应用中光敏二极管产生的信号。

一个简单的光敏二极管就是一个非常准确的光检测传感器。光检测可以用于从基于绿色能源太阳能的电源管理到精密的工业过程控制等多种不同应用。由于给定环境下,光强的变化范围很大(例如从20klx到100klx),宽动态范围成为光信号检测的一项关键要求。MAX9635等集成方案在器件内部集成了一个光敏二极管、放大器和模/数转换器(ADC),动态范围为0.03lx至130,000lx。



利用互阻放大器(TIA)检测光信号

利用光敏二极管进行接近检测

接近检测的方案有多种,光敏二极管相对而言能够提供较高的精度,功耗也更低。光敏二极管受到光照时,将产生与光强成正比的电流。低输入噪声、宽带缓冲器将该电流传递给系统的其它部分。可以选用低输入噪声放大器,例如MAX9945,提供精确的测量结果。

传感器通信接口

传感器通过模拟或数字技术传输检测信息。模拟技术基于电压或电流环;数字信息则通过CAN、CompoNet®、IO-Link®、RS-485及其它数据接口传输。

传感器通信接口

二进制传感器仅传输比特流。通常情况下,被测对象的“有”、“无”利用逻辑电平表示并进行传输。此外,当一个对象(例如阀门中的活塞)达到预定的临界点时,传感器能够检测到这一信息,然后通过二进制接口将信息传递给可编程逻辑控制器(PLC)系统。

由于工业环境条件恶劣,传感器接口必须高度可靠,能够承受各种误操作和EMI。
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