传感器信号路径概述

本教程介绍了用于压力、温度、电流、光线和接近检测的最常用传感器传感器类型的传感器信号链。本文介绍了选择信号路径的复杂性。示例电路和框图可帮助读者选择一组最佳零件以满足其设计需求。

压力传感器和电子秤（力传感）

概述

检测和测量压力和重量的需求是现代工业控制和系统监控的一个非常普遍的要求。压力测量尤其重要，因为它也间接用于测量流量、高度和其他属性。压力和重量测量设备可以被视为“力传感器”，因为力是影响传感器输出的特性。力传感器的应用范围很广，从真空计到重型机械称重秤、工业液压设备和用于内燃机的歧管绝对压力 （MAP） 传感器。每种应用对精度、准确度和成本都有其不同的需求。

虽然有几种测量压力和重量（力传感）的方法和技术，但最常用的测量元件是应变片。

两种最常见的应变片类型是用于各种重量/压力传感器的金属箔型，以及广泛用于测量压力的基于半导体的低阻式传感器。与金属箔型换能器相比，压阻式换能器更灵敏，线性度更好，但温度依赖性大，初始偏移大。

原则上，所有应变片都通过改变电阻值来对施加的力做出反应。因此，在存在电激励的情况下，它们有效地将压力或重量转换为电信号。通常，这些有源电阻元件（应变片）中的一个、两个或四个排列在惠斯通电桥配置（有时称为称重传感器）中，以产生响应压力或重量的差分输出电压。

工程师可以设计满足各种力传感应用独特要求的传感器模块。成功的设计将包括适合物理特性的传感元件和适当设计的信号链。

力检测应用中的信号链框图。

完整的信号链解决方案

传感器信号链必须在存在噪声的情况下处理极小的信号。精确测量电阻式传感器输出电压的变化需要提供以下电气功能的精密电路：激励、放大、滤波和采集。某些解决方案可能还需要使用数字信号处理（DSP）技术来实现信号处理、误差补偿、数字增益和用户可编程性。

兴奋

传感器激励通常使用具有低温度漂移的准确稳定的电压或电流源。传感器输出与激励源成比例（通常以mV/V表示）。因此，该设计通常具有模数转换器（ADC）和激励电路的公共基准，或者使用激励电压作为ADC的基准。额外的ADC通道可用于精确测量激励电压。

传感器/电桥

信号链的这一部分由以称重传感器（惠斯通电桥格式）排列的应变片传感器组成，如上面的概述部分所述。

放大和电平转换—模拟前端 （AFE）

在某些设计中，传感器的输出电压范围将非常小，所需的分辨率达到纳伏范围。在这种情况下，传感器的输出信号在施加到ADC的输入之前必须被放大。为防止此放大步骤引入误差，具有极低失调电压（V操作系统），并且必须选择低温和失调漂移。惠斯通电桥的一个缺点是共模电压远大于目标信号。这意味着LNA还必须具有出色的共模抑制比（CMRR），通常大于100dB。当使用单端ADC时，在采集之前需要额外的电路来消除大共模电压。此外，由于信号带宽较低，放大器的1/f噪声可能会引入误差。因此，经常使用斩波稳定放大器。其中一些严格的放大器要求可以通过使用超高分辨率ADC满量程范围的一小部分来避免。

采集—ADC

选择ADC时，请查看无噪声范围或有效分辨率等规格，这些规格表明ADC区分固定输入电平的能力。替代术语可能是范围内的无噪声计数或代码。大多数高精度ADC数据手册将这些规格显示为峰峰值噪声或RMS噪声与速度的关系表;有时，规格以图形方式显示为噪声直方图。

ADC的其他考虑因素包括低失调误差、低温漂移和良好的线性度。对于某些低功耗应用，速度与功耗是另一个重要标准。

滤波

换能器信号的带宽通常很小，对噪声的敏感性很高。因此，通过滤波来限制信号带宽以降低总噪声是有用的。使用Σ-Δ型ADC可以简化噪声滤波要求，因为该架构中固有的过采样。

数字信号处理 （DSP） — 数字领域

除了模拟信号处理外，捕获的信号在数字域中进一步处理，以进行信号提取和降噪。通常会找到迎合特定应用程序及其细微差别的集中算法。还有一些通用技术，如失调和增益校正、线性化、数字滤波和基于温度（和其他相关因素）的补偿，这些技术通常应用于数字域。

信号调理/集成解决方案

在一些集成解决方案中，所有必需的功能模块都集成到单个IC中，通常称为传感器信号调理器。信号调理器是一种专用IC（ASIC），通常在一定温度范围内对输入信号进行补偿、放大和校准。根据信号调理器的复杂程度，ASIC 集成了以下部分或全部模块：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、温度传感器和数字接口。

通常使用两种类型的信号调理器：模拟信号路径调理器（模拟调理器）和数字信号路径调理器（数字调理器）。模拟调理器具有更快的响应时间，并提供连续输出信号，反映输入信号的变化。他们通常有一个硬连线（不灵活）的补偿方案。数字调理器通常基于微控制器，由于ADC和DSP例程引入延迟，响应时间较慢。应审查ADC分辨率，以尽量减少量化误差。数字信号调理器的最大优点是补偿算法的灵活性，可以适应用户的应用。

温度传感

概述

温度检测对于在工业系统中实现三个关键功能至关重要。

温度控制，例如在烤箱、制冷和环境控制系统中，取决于温度测量来做出加热/冷却决策。

各种传感器、振荡器和其他组件的校准通常随温度而变化。因此，必须测量温度以确保敏感系统组件的精度。

保护组件和系统免受破坏性的温度偏移。温度检测确定要采取的适当操作。

热敏电阻、RTD、热电偶和IC是当今使用最广泛的温度检测技术。每种设计方法都有自己的优势（例如，成本、精度、温度范围），使其适用于特定应用。下面将讨论这些技术中的每一种。

除了业界最全面的专用温度传感器IC系列外，Maxim还生产系统与热敏电阻、RTD和热电偶接口所需的所有元件。

热敏电阻

热敏电阻是温度相关的电阻器，通常由金属氧化物陶瓷或聚合物等半导体材料制成。最广泛使用的热敏电阻具有负电阻温度系数，因此通常被称为NTC。还有正温度系数（PTC）热敏电阻。

热敏电阻特性包括中等温度范围，通常高达+150°C，尽管有些能够承受更高的温度;低到中等成本取决于精度;以及较差但可预测的线性度。热敏电阻采用探头、表面贴装封装、裸引线和各种专用封装。Maxim还生产MAX6682和MAX6698等IC，可将热敏电阻转换为数字格式。

热敏电阻通常连接到一个或多个固定值电阻以形成分压器。分压器的输出通常由ADC数字化。热敏电阻的非线性可以通过查找表或计算来校正。

即时热饮器

电阻温度检测器（RTD）是电阻随温度变化的电阻器。铂金是最常见、最精确的线材;铂RTD被称为Pt-RTD.镍，铜和其他金属也可用于制造RTD。

RTD特性包括高达+750°C的宽温度范围、出色的精度和可重复性以及合理的线性度。对于Pt-RTD，0°C时最常见的标称电阻值为100Ω和1kΩ，但也提供其他值。

RTD的信号调理可以像将RTD与精密固定电阻组合以创建分压器一样简单，也可以更复杂，特别是对于宽范围温度测量。常见的方法包括精密电流源、基准电压源和高分辨率ADC，如图1所示。线性化可以通过查找表、计算或外部线性电路执行。

图1.简化的RTD信号调理电路。

热电偶

热电偶是通过连接两根不同金属线制成的。导线之间的接触点产生与温度大致成比例的电压。有几种热电偶类型由字母表示。最受欢迎的是K型。

热电偶特性包括高达 +1800°C 的宽温度范围;低成本，取决于包装;K型器件的极低输出电压约为40μV/°C;合理的线性度;以及中等复杂的信号调理，即冷端补偿和放大。

用热电偶测量温度有些困难，因为热电偶的输出很低。测量更加复杂，因为在热电偶线接触连接到信号调理电路的铜线（或走线）处会产生额外的热电偶。该接触点称为冷端（见图2）。为了使用热电偶精确测量温度，必须在冷端添加第二个温度传感器，如图3所示。然后将在冷端测量的温度添加到热电偶电压测量指示的值中。图3中的示例电路显示了一种实现方案，其中包括许多精密元件。

图2.简单的热电偶电路。金属1和金属2之间的结是主要的热电偶结。金属1和金属2线与测量设备的铜线或PCB板（PCB）走线连接的地方存在其他热电偶。

除了图3所示的所有元件外，Maxim还生产MAX6674和MAX6675，它们为K型热电偶提供信号调理功能。这些器件简化了设计任务，并显著减少了放大、冷端补偿和数字化热电偶输出所需的元件数量。

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利用硅PN结的线性和可预测的热特性。由于它们是使用传统半导体工艺构建的有源电路，因此这些IC具有多种形式。它们包括许多功能，如数字接口、ADC 输入和风扇控制功能，这是其他技术所不具备的。温度传感器 IC 的工作温度范围低至 -55°C，最高可达 +125°C，少数产品的工作上限约为 +150°C。 以下是常见类型的温度传感器 IC 的说明。

模拟温度传感器

模拟温度传感器IC将温度转换为电压，或者在某些情况下转换为电流。最简单的电压输出模拟温度传感器只有三个有源连接：接地、电源电压输入和输出。其他具有增强功能的模拟传感器具有额外的输入或输出，例如比较器或基准电压输出。

模拟温度传感器利用双极晶体管的热特性来产生与温度成比例的输出电压。增益和失调施加到该电压上，以提供传感器输出电压和芯片温度之间的便捷关系。温度精度可以非常好。例如，DS600是业界最精确的模拟温度传感器，在-0°C至+5°C范围内保证误差小于±20.100°C。

本地数字温度传感器

将模拟温度传感器与ADC集成是创建具有直接数字接口的温度传感器的明显方法。这种设备通常称为数字温度传感器或本地数字温度传感器。“本地” 表示传感器测量其自身温度。此操作与测量外部IC或分立晶体管温度的远程传感器形成鲜明对比。

基本数字温度传感器只需测量温度，并允许通过多个接口读取温度数据，包括1线、I²C、PWM和3线®。更复杂的数字传感器还提供其他功能，例如过热/欠温输出、为这些输出设置跳变阈值的寄存器以及EEPROM。Maxim生产多种本地数字温度传感器，包括DS7505和DS18B20，可在较宽的温度范围内保证±0.5°C的精度。

远程数字温度传感器

远程数字温度传感器也称为远程传感器或热二极管传感器。远程传感器测量外部晶体管的温度，可以是分立晶体管，也可以是集成在另一个IC芯片上的晶体管，如图4所示。微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）和ASIC通常包括一个或多个检测晶体管，通常称为热二极管，类似于图4所示。

图4.远端温度传感器MAX6642用于监测外部IC芯片上检测晶体管（或热二极管）的温度。

远程温度传感器有一个重要优势：它们允许您使用单个IC监控多个热点。基本的单路遥感传感器（如图6642中的MAX4）可以监测两种温度：自身温度和外部温度。外部位置可以位于目标IC的芯片上，如图4所示，也可以位于使用分立晶体管监控的电路板上的热点。一些远程传感器监测多达七个外部温度。因此，由IC和电路板热点组成的八个位置从单个芯片进行监控。以MAX6602为例。该温度传感器具有四个远端二极管输入，因此可以监测一对集成热二极管的FPGA的温度、使用分立晶体管的两个电路板热点以及MAX6602位置的电路板温度。本文提到的MAX6602和MAX6642在读取外部热二极管时均达到±1°C的精度。

电流、光和接近检测

概述

电流检测在许多应用中都很重要，可分为两种常用方法。

在一种方法中，电流检测通常用于更高的电流，并且通常用于电源监控。典型应用包括短路检测、瞬态检测和电池反接检测。

电流检测还用于需要低得多电流检测水平（以微安为单位）的应用，例如光电二极管，当暴露在光线下时会产生少量电流。常见应用包括环境光传感、接近检测和基于光吸收/反射的化学过程监测。

这些电流检测技术采用多种配置的电流检测放大器或跨阻放大器（TIA）。

使用电流检测放大器进行电流检测

测量电流的技术多种多样，但迄今为止最流行的是使用检流电阻。这种方法的基本原理是使用基于运算放大器的差分增益级放大检流电阻两端的压降，然后测量产生的电压。虽然分立元件可用于构建放大器电路，但集成电流检测放大器与分立式方案相比具有显著优势：更好的温度漂移、更小的 PC 板 （PCB） 面积以及处理宽共模范围的能力。

大多数电流检测应用采用低边或高边原理。在低边技术中，检测电阻与接地路径串联。电路处理，输出电压以地为参考。然而，低侧检测电阻会在接地路径中增加不需要的外来电阻。采用高端原理，检测电阻与正电源电压串联。这里的负载接地，但高端电阻必须处理相对较大的共模信号。

电流检测应用中的信号链框图有关Maxim推荐的电流检测方案列表，请访问：www.maximintegrated.com/detect。

Maxim的高边电流检测放大器采用电流检测电阻，位于电源正端和监控电路的电源输入之间。这种布置避免了接地层中的外来电阻，大大简化了布局，并且总体上提高了整体电路性能。Maxim的单向和双向电流检测IC包括带或不带内部检测电阻的器件。

使用跨阻放大器 （TIA） 进行光检测

第二种最流行的电流测量技术使用具有极低输入偏置电流的运算放大器，如TIA，它将电流输入转换为电压输出。该原理适用于变化大得多的电流，例如光电二极管在光传感应用中产生的电流。

简单的光电二极管是一种非常精确的光传感器，用于感测光。光传感用于许多不同的应用，从基于太阳光的电源管理到复杂的工业过程控制应用。由于给定情况下的照度可以在很宽的范围内变化（例如，从20klx到100klx），因此宽动态范围可能是光传感器的关键要求。MAX44007或MAX44009等集成方案集成了光电二极管、放大器和模数转换器（ADC），提供0.025lx至104，000lx （MAX44007）和0.045lx至188，000lx （MAX44009）的动态范围。

使用光电二极管进行接近感应

虽然接近感应可以通过多种方式完成，但与其他方法相比，使用光电二极管可提供更高的精度并节省更多功率。当光照射到光电二极管时，会产生与光强度成比例的电流。具有低输入噪声和高带宽的缓冲级将该电流传输到系统的其余部分。具有低输入电流噪声的放大器，如MAX9945，可提供精确的测量。

传感器通信接口

传感器通过模拟或数字技术传达其感测信息。模拟技术基于电压或电流环路。数字信息与CAN，CompoNet®，IO-Link®，RS-485和其他数据接口进行通信。

二进制传感器仅传输单位信息。通常，检测对象是否存在并与逻辑电平进行通信。此外，当阀门中的活塞等物体达到预定义的临界距离时，传感器会检测到并通过二进制接口将其传送给可编程逻辑控制器（PLC）系统。

传感器接口必须能够抵御各种形式的误操作和EMI，因为工业环境非常恶劣。

审核编辑：郭婷