在工业测量中如何提高成本和效率的精度

肮脏，嘈杂，凌乱的工业工厂环境似乎是人们期望找到高科技的最后一个地方。现代工厂环境中遇到的无限种材料的压力，温度或流量等世界各种功能，包括水，石油，油漆，果汁，面包面团或钢材，都需要在极具挑战性的环境中达到令人惊讶的测量精度水平 - 不断提高对更高精度的要求，以提高成本和效率，并减少对环境的影响。

首先，考虑到由于周围环境的影响，许多传感器技术实际上提供的总体测量精度低于0.1％，这是由于它们自身的物理特性和误差。热电偶和光电传感器的非线性，称重传感器蠕变，应变计偏移漂移以及其他误差源都会使偏移处的测量值降低。此外，观察到大多数流行的传感器技术在输出端提供仅几分之一伏的输出（热电偶或应变计中的数十mV，激励电压为10 V或更低），并且它们的尺寸小（对于快速响应时间，小尺寸和对被测介质的最小影响，导致非常高的阻抗（接近零电流），或者对通过传感器的偏置电流引起的偏移误差的高灵敏度。最后，观察一下，在大多数情况下，过程本身的物理布置带来了许多挑战，包括导致电气干扰的长电缆长度，由于所涉及的环境而导致的包装困难，当然还有上述肮脏，嘈杂的工厂混乱地板上装有电机，螺线管，接触器，交流加热器等。

如果我们希望在这种环境中保持传感器的准确性，我们必须考虑到各种误差产生因素的影响。它们包括工作温度范围，在100°C的范围内，因此需要仔细的温度补偿。由于偏置电流导致连接器上的电压降和长引线长度（包括双金属界面处的热电效应）和感应噪声的偏移误差通过利用诸如双线，差分传感和比率电路配置的技术来解决，这些技术利用了精心设计的测量电路的CMRR（共模误差抑制比）。还必须考虑电源变化，要求电路设计为提供高PSRR（电源误差抑制比）。

图1：典型的工业压力传感器电路。

设计人员必须完成的数值分析和关键误差预算，以便可靠地实现所需的总体测量精度，这与我们在此处讨论过的因素相当。但是，他有许多技术可以解决这些错误，包括上面提到的电路设计技术，以及校正和校准技术，它们利用高分辨率A/D转换来执行软件校准，并存储校正系数。非易失性存储器。仔细选择传感器缓冲放大器，电压基准和A/D转换器对于实现我们一直在讨论的测量精度至关重要，并且定期继续出现提高测量精度的现有技术的新解决方案。这些器件扩展了最先进技术的能力，包括设计，布局和测试技能，以及实现这一性能水平所需的先进混合信号半导体工艺。

从传感器开始，我们可以看到第一个接口的性能是设计中最重要的部分，因为它需要从敏感的低电平信号中获得最佳效果。然后将该信号传送到模数转换器（ADC）的输入端，该模数转换器被要求将放大器的输出数字化为所需的分辨率，并且希望精确。虽然精密ADC的精度规格 - 在完美条件下从台架和ATE测试中获得 - 是一个最佳案例目标，但实际上有许多错误来源需要处理，而这个最具挑战性的设备展示了艺术的巅峰混合信号设计和过程。此外，我们必须记住任何ADC测量仅与连接到它的参考电压一样准确，因此要求信号源至少与传感器本身一样稳定且无噪声。很容易理解为什么这类系统的设计者在他们的设计中往往不同寻常地不妥协，只有当他们确信他们的第一次努力已被证明超出他们的系统需求时才能偷工减料。

在低噪声，高精度放大器中，过去几年出现了“零漂移”这一术语，作为描述器件各个误差规范的整体精度水平的一种方法 - 初始值和漂移包括时间和温度 - 每个都在典型应用中引入与总测量值大致相同的误差幅度。 Vos，或输入失调电压以及相关的漂移是精密放大器的首要考虑因素，前沿斩波稳定的ISL28134能够快速展示出卓越的性能，保证了2.5μV的偏移量，在此产品领域处于领先地位。 TCVOS（漂移）仅为每摄氏度15 nV，而LTD（长期漂移）低于本底噪声，这绝对是一个值得认真对待的设备。输入偏置电流为120 pA，在0.1 Hz和10 Hz之间仅有250 nV噪声 - 对于许多类型的高精度，高阻抗传感器而言非常出色 - 我们可以看到，我们拥有一个真正强大的解决方案，值得考虑进行高端设计。

图2：ISL28134输入电压噪声密度。

图3：ISL2813x系列长期漂移。

同样，数据转换的第一个事实是ADC只能用于进行测量的电压基准（除非我们运行如上所述的比例式布置），因为转换实际上是对比之间的比较。两个电压。引领精密市场的是新的ISL21090，这是一种新的参考，它首次为市场带来了总误差水平（初始值，偏移漂移，线路和负载调节，噪声和长期漂移之和），它满足最高分辨率应用的需求。该特定设备的业界领先性能引起了极大的关注，包括作为2011年度EN-Genius产品的认可，证实了Intersil越来越关注精密模拟解决方案 - 并取得了成功。该设备是Intersil最先进的PR40高级双极过程的展示。 PR40工艺在键合的绝缘体上硅（BSOI）衬底上制造，并使用深沟槽隔离（DTI）来构建具有完全电介质隔离的器件。该工艺采用核心 - 双极性基础和可选的器件模块，可根据需要添加，以促进特定产品的低成本制造。

图4：ISL21090电压噪声。

将注意力转向A/D转换器，为获得最高的测量精度，使用过采样，通常称为Delta-Sigma ADC。返回我们的0.1％传感器精度指南，相当于10位精确测量。在100度温度范围的产品中可以看到误差预算的粗略计算，偏移误差是传感器信号的两倍到10倍，共模噪声和10 mVFS信号之上的一伏特或更高的漂移我们希望我们的前端放大器的100 dB CMRR能够消除。很容易理解为什么设计人员会期待A/D转换器提供额外的测量分辨率，以便去除软件中可重复的系统误差源。高流量控制环路（典型的工业电路）采用12至16位ADC，运行速率为125 kSPS至1 MSPS，以完成工作。测量重量和温度等缓慢变化的最高精度，低频率应用，包括认证交易秤或高容量工业设备，可通过软件校准方法寻找20位无噪声分辨率，以达到其测量目标。

Intersil重新开始专注于低噪音工业应用的转换器，为设计技能提供了极好的证明。 ISL26132和ISL26134，低噪声24位Delta-Sigma ADC具有2或4通道输入，具有极低噪声PGA（10 SPS时为10.2 nV/rt-Hz），可实现高达21.6 bit的无噪声分辨率，可通过易于使用的串行数字接口访问。该设备可立即升级到称重秤和温度测量系统中的现有设计，无需修改。正如您在图5中所看到的，如此低的零件数量，可靠地实现如此高水平的测量精度从未如此简单。

图5：称重应用示例。

回顾困难的工业环境的需求，Intersil重新关注Precision Analog的价值以及由此产生的最新产品的卓越性能显而易见。随着前沿解决方案不断增加，未来的产品无疑将继续展现出这一重点。