如何从您喜爱的传感器中获取数据

如今，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。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？本文将探讨这些问题。

如今，传感器似乎无处不在。智能手机和平板电脑都装有它们。汽车具有温度传感器，高级驾驶员辅助系统（ADAS），传感器和视频的混合以及许多其他类型。甚至家用恒温器也变得越来越精明。

传感器正在测量各种不同的模拟现象：

我们手机上的接近传感器会关闭显示屏。

光传感器调整背光。

空气、化学品和水流量传感器遍布我们的城市管道，以调节我们的供水。

炼油厂的化学传感器监测腐蚀和侵蚀。

当地微型啤酒厂的温度、液位和其他环境传感器可确保您拥有最喜爱的欢乐时光。

传感器输出模拟值后，下一步是将信号转换为可用格式。这是怎么回事呢？什么样的信号调理和模数转换最好？本应用笔记解决了这些问题。

对于上述所有传感器，模拟信号可能会有所不同。一些传感器，如pH/化学传感器，提供高阻抗输出。许多其他器件提供非常小/低电平的信号，很难从中提取噪声的真实信息。其他的，如热电偶，产生非线性信号，每种类型的热电偶都不同。让我们考虑每种传感器。

低电平电压信号

压力是世界上受到监控最多的信号之一。惠斯通电桥等压力传感器用于许多工业应用。例如，杂货店的压力传感器称量午餐肉，但它们也可以用于仓库传送带内的动态秤，其中高精度和宽动态范围更为关键。

桥式传感器的一个示例如图1所示，其中产生的输出电压在+V之间外和 -V外这取决于激励电压差（+Exc - -Exc）和对可变电阻的影响。桥式传感器通常输出非常小的电压，通常为几毫伏。典型的压缩范围为 1000：1，其中 1V 激励电压差在两个输出之间产生 1mV 的最大范围。可以增加激励电压，但代价是消耗更多功率。

图1.惠斯通电桥提供输出电压（+V外- -V外）取决于激励电压和压缩和拉伸电阻的物理变化。

在上面的示例中，1mV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目标信号，本底噪声通常以微伏或数十微伏为单位。

几乎所有电桥式传感器后面都有一个带增益级的放大器或一个可编程增益放大器（PGA）。为了将模拟信号转换为数字字，PGA通常后跟一个模数转换器。大多数ADC提供3V或5V的最大输入范围，因此将1mV桥式传感器信号放大到使用ADC全部（或更多）可用电压范围是合乎逻辑的选择。

一些模拟公司，如Maxim Integrated，提供独立的放大器，可配置外部电阻或数字电位计以获得放大器增益。其中许多公司还提供PGA，可以配置一系列数字输入或SPI接口。

根据所需的精度和有效位数（ENOB），集成PGA的Σ-Δ型ADC通常是当今的最佳选择。集成PGA的Σ-Δ型ADC的数量在过去10年中大幅增长。其中许多是16位或24位Σ-Δ型ADC。集成的ADC和PGA允许对电路进行优化，以实现尽可能低的噪声。

让我们回到仓库输送带秤。这些仓库的货物运输速度越快，其吞吐量和利润率就越高。能够在从一个站点移动到下一个站点的同时动态测量包裹重量变得越来越普遍。由于这些仓库要运送一系列货物（任何轻量级的东西，如儿童玩具，如沙发），放大器和ADC需要宽动态范围和低噪声。在本例中，还需要采样速率相对较快的ADC。

MAX11270集采样速率（用于电子秤）、宽动态范围和低噪声于一身。最大采样率为 64ksps。PGA的噪声电平为6.5nV/

，这是MAX11270在1ksps采样速率下能够实现21.0有效位数的一个重要原因。这实际上意味着MAX11270及其PGA和ADC可以分辨221量程，这意味着任何缩小传送带的包裹都被快速准确地称重。

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的水平至关重要。微型啤酒厂对大多数人来说很容易想象。在酿造过程中，成分的混合是消费者可重复（和令人愉悦）口味的重要组成部分。

测量pH值的传感器通常用于过程控制。它们具有高阻抗电极信号输出。将这种阻抗信号转换为更容易测量的信号是使用具有非常小输入偏置电流的放大器完成的。将传感器的阻抗乘以放大器的偏置电流，可以得到很大一部分误差预算。偏置电流越大，传感器误差越大。

对于化学传感器，需要皮安甚至飞安量级的输入偏置电流，以减少总误差。在这里，有必要深入研究数据手册并确认应用所需的温度范围。

MAX44242为低输入偏置电流运算放大器。虽然其输入偏置电流不如其他JFET放大器低，但比许多其他放大器低几个数量级。图2给出了MAX44242的输入偏置电流规格。对于输入偏置电流等规格，了解应用的温度范围至关重要。

回到微型啤酒厂的例子，如果化学反应通常在室温下发生，系统设计人员可以假设最大输入偏置电流约为0.5pA。如果化学品在高温下混合，输入偏置电流在85°C时增加到10pA，在125°C时增加到50pA。

图2.MAX44242输入偏置电流的电气特性显示电流随温度的增加而增加。

有关关键放大器规格（如输入偏置电流、输入失调电压、放大器类型和温度对所有这些规格的影响）的更深入说明，请参阅教程717：运算放大器输入。

通信和数据中心设计

接下来，让我们考虑设计用于基站或数据中心等应用的复杂印刷电路板。这些板每一代都继续消耗更高的功率，同时也试图挤入更小的空间。高速处理器、ASIC 和 FPGA 正在以千兆赫的速率将数字数据传输到千兆赫兹。数据速率越快，功耗就越高，从而转化为热量。

随着每一代人的到来，测量温度变得越来越重要。基站和数据中心设计人员测量温度的方法有很多种。一些ASIC或FPGA包括内部温度传感器。有些包括输出模拟信号的热二极管。在其他情况下，电路板设计人员会在这些高功率数字IC周围添加自己的外部温度传感器。

如果系统设计人员想要选择外部温度传感器，有许多不同的选择，包括带模拟输出、数字输出或温度开关的IC。

封装的选择也提供了另一种程度的灵活性。虽然大多数温度传感器都是表面贴装封装，例如SOIC或SOT23，但也有一些选项可以将温度传感器从电路板上移开，以获得更准确的空气温度表示。

图3和图4包括一个板外温度传感器的示例。DS18B20采用3引脚TO-92封装。为什么需要板外温度传感器？由于PCB外壳越来越薄，散热器阻碍了气流，翻盖越来越小。在大型处理器、ASIC 或 FPGA 旁边安装表面贴装温度传感器封装可能会导致气流受阻，并且温度结果与电路板上的另一点差异很大。在大功率IC旁边了解电路板温度有两种争论，尽管PCB层中的热量可能会扭曲温度读数。

将DS18B20放在电路板上可获得更准确的空气温度读数。引线可以夹到所需的高度。许多复杂的基站和数据中心板设计人员在输入端放置一个DS18B20来测量进气，在气流输出端放置另一个DS18B20来了解排气温度。这为电路板设计人员了解可能具有许多不同局部热点的复杂电路板上的温差奠定了良好的基础。

图3.复杂处理器/ASIC 板示例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4.DS18B20温度传感器使用电源、接地和1线接口来获取温度数据。

结论

我们周围的模拟信号始终存在，因为可用传感器的增加使工程师们无所不在且更容易。仍然存在的一个挑战是准确读取这些传感器并提取其数据。目标是从噪声、电路板寄生效应和物理屏障中获取“真实”数据。要做到这一点，需要对滤波器、放大器和温度传感器的信号调理有一定的了解。然后，您可以添加ADC并将数据放入数字域，公众认为所有魔术都会发生。

审核编辑：郭婷