实际传感器的调节技术

现代传感器可以检测多种真实的模拟属性 - 温度,力,压力,湿度,流量和功率,仅适用于初学者。反过来,它们通常与它们各自的环境刺激成比例地输出一定水平的电压,电流,电荷或电阻模拟信号,或纯数字信号。一些传感器自动运行; 其他人需要供电,通常以电压或电流源的形式。很多时候,需要或结合独特的信号调节以提供有用的电输出。在这里,我们将介绍现代模拟电子设备中使用的一些最先进的传感器信号调理技术。
随着对高精度运算放大器的需求不断增长,自校正架构 - 连续校正失调误差的设计 - 变得越来越流行。Microchip Technology Inc.的首席产品营销工程师Kevin Tretter表示,许多领先的放大器制造商使用“零漂移”来指代任何连续自校正架构,无论是自动归零还是斩波稳定拓扑。通常,斩波放大器更适合直流或低频应用,而自动归零放大器适用于更宽频带的应用。
Tretter指出,用于零漂移信号调理的自动归零架构包含一个主放大器,它总是连接到输入端,二次放大器连续校正自己的偏移,并将偏移校正应用于主放大器。Microchip Technology已在MCP6V01上实现了这种类型的架构,其中主放大器的失调误差被校正10,000次/秒,因此Microchip所说的偏移和偏移漂移极低。
斩波稳定架构还使用始终连接到输入的高带宽主放大器,以及使用开关切断输入信号并为主放大器提供偏移校正的“辅助”放大器。例如,在Microchip的 MCP6V11低功耗放大器中,斩波操作可最大限度地减少偏移和偏移相关的误差。
虽然它们的内部操作不同,但自动归零和斩波稳定放大器具有相同的目标:最小化偏移和偏移相关的误差。这不仅导致低初始偏移,而且还具有随时间和温度的低失调漂移,优异的共模和电源抑制,以及消除1 / f(频率相关)噪声。
斩波器架构

ADI公司的应用工程经理Reza Moghimi指出,许多真实传感器在低频时产生低输出电压,需要具有高增益和精确接近直流性能的信号调理电路。这类传感器的应用包括精密电子秤,称重传感器和桥式传感器,热电偶/热电堆传感器接口以及精密医疗仪器。用于这些传感器信号调理的非精密放大器的偏移电压,偏移电压漂移和1 / f噪声会导致需要硬件或软件校准的错误。Moghimi提供高精度信号调理示例,其中零漂移放大器 - 旨在实现超低失调电压和漂移,高开环增益,高电源抑制,高共模抑制,无1 / f噪声 - 通过消除校准的需要使设计人员受益。
图1中的电路采用 AD7791,一个低功耗缓冲24位Σ- ΔADC,以及外部 ADA4528 -x零漂移放大器,采用单电源精密称重应用。该电路由ADI制造和测试并在其中描述参考文献1为满量程输出为10 mV的称重传感器提供15.3位无噪声代码分辨率,并在9.5 Hz至120 Hz的整个输出数据范围内保持良好性能。

图1这款低功耗,零漂移传感器放大器 - 转换器电路采用AD7791 24位Σ-ΔADC和外部ADA4528-x零漂移放大器(ADI公司提供)。
该电路中的差分放大器包括两个低噪声,零漂移 ADA4528放大器, 在1 kHz时具有5.6 nV / 电压噪声密度,0.3-μV偏移电压; 0.002μV/°C偏移电压漂移; 分别为158 dB和150 dB的共模和电源抑制。电路增益等于1 + 2R 1 / R G,通过将电容器C 1和C 2与电阻器R 1 和R 2并联实现的低通滤波器将噪声带宽限制为4.3 Hz,从而限制进入电容器的噪声量。 sigma-delta ADC。C 5,R 3和R 4形成一个截止频率为8 Hz的差分滤波器,以进一步限制噪声。C 3和C 4与R 3和R 4一起形成截止频率为159 Hz的共模滤波器。
高精度,低功率信号调节的另一个例子是图2所示的心电图电路,参考文献2中对此进行了 描述。由于电极的半电池电位,ECG电路必须以差分直流偏移工作。该过压的容差通常为±300 mV,但在某些情况下可能为1V或更高。ECG电路中电源电压的下降趋势以及这种较大的半电池电位的存在限制了可以在信号调节的第一阶段中应用的增益。

图2 AD8607双微功率仪表放大器用于ECG应用的
零漂移信号调理电路中
的集成,缓冲和电平转换(ADI公司提供)。
的AD8237架构通过连接低频从输出到REF引脚仅具有到尽可能的直流偏移摆动反相积分解决,而不是直流偏移乘以增益此问题,。由于放大器将增益应用于积分器输出,因此可以在放大阶段应用大增益,并且可以降低系统其余部分的精度要求。在信号路径中放大之后来自器件的噪声和偏移误差对总体精度的贡献较小。的AD8607双微仪表放大器,具有的电源电流115μA,用于积分,缓冲和电平转换。没有显示正确的去耦。
零漂移,轨到轨输入和输出仪表放大器的最小电源电压为1.8V,增益漂移为0.5 ppm /°C,失调漂移为0.2μV/°C。两个外部电阻设置的增益范围为1至1000.AD8607可以在共模电压达到或超过其电源300 mV的情况下完全放大信号。
应用

Microchip的Tretter指出,当斩波稳定放大器首次上市时,它们的大开关电流和布局灵敏度使它们难以使用且成本过高。因此,设计人员限制了实现以选择性能绝对关键的应用程序。从那时起,工艺技术和硅设计的进步增强了零漂移放大器的可用性,并扩展了它们在包括医疗设备在内的广泛应用中的应用。工业流量计,万用表和高端体重秤; 甚至游戏设备。



图3显示了由zerodrift运算放大器调节的惠斯通电桥传感器。即使在惠斯通电桥配置中使用多个传感器,输出电压的总变化也相对较小; 因此,在通过ADC将电压转换为数字信号之前,通常需要增益级(Microchip Technology提供)。
许多传感器,例如应变仪,RTD(电阻温度检测器)和压力传感器,通常采用惠斯通电桥配置(图3),因为该电路类型具有出色的灵敏度。即使在惠斯通电桥配置中使用多个传感器,输出电压的总变化也相对较小,通常在毫伏范围内。由于信号幅度小,在通过ADC将电压转换为数字信号之前通常需要增益级。Tretter表示,零漂移放大器是这类应用的理想选择,因为它需要高增益和低噪声。

IA设计考虑因素
Touchstone半导体营销和应用副总裁Adolfo A Garcia指出,当供电电压较低(<3V)且自备式IA(仪表放大器)的可用选择有限时,设计自己的IA非常简单,因为运算放大器的输入和输出直流特性和电路拓扑结构是可以理解的。两种非常常见的拓扑分别使用两个和三个运算放大器来构建仪表放大器。
图4显示了双运放拓扑结构。采用单电源,轨到轨,低功耗运算放大器时,根据应用的不同,选择的主要考虑因素包括直流参数,如V OS,TCVO S,A VOL(MIN),I OS,V OH(MIN)和V OL(MAX)以及交流参数,例如放大器输入参考噪声和带宽。无论应用如何,最大化输出动态范围是实现最大电路性能的关键。Garcia表示,其输出级提供最宽动态范围的单电源运算放大器是最佳选择,因为应避免放大器输出级饱和。

图4传统双运放仪表放大器及其相关输出/输入电压传输方程的图示表明,如果理解并正确应用某些运算放大器参数,则可将两个单电源运算放大器配置到仪表放大器中(Touchstone半导体公司提供)。
注意图4中电路传输方程中的参考电压项(V REF)。为避免AMP1中的输出饱和,必须相对于V REF测量仪表放大器的输出信号。在3V(或更低)系统中,可以得出结论,为了使电路具有最大动态范围并避免输出级饱和,简单地将V REF设置为等于电源的一半就足够了。然而,如果所选运算放大器的V OH(MIN)和V OL(MAX)规格相对于其电源数据是对称的,那么这个结论才有效,Garcia观察到。
采用严格的双运放IA拓扑结构分析,包括差分输入信号电压(V IN),施加的输入共模电压(V CM)和参考电压V REF应设计成如此在输出电压摆幅中间偏置AMP1的输出(而不是电源电压的一半),如公式1所示:
选择所需的IA增益,以防止输出级饱和。在双运算放大器IA的情况下,从节点电路分析得到的表达式如公式2所示:
等式2中,V IN(MAX)是施加到IA电路的最大差分输入电压。如果所需增益是已知电路参数,则可以重新排列等式中的相应项, 以确定可应用于电路的最大输入差分电压,以防止输出级饱和。
对于最低功耗操作,电路中使用的电阻应为100kΩ或更大,具体取决于噪声和带宽设计考虑因素。此外,重要的是要指出运算放大器的V OH(MIN)和V OL(MAX)电压规格高度依赖于放大器输出级负载,因此请特别注意负载电阻条件。
在一个实际示例中,选择TS1002 双0.6μA运算放大器来构建一个采用2.5V电源供电的10 倍增益双运放IA。TS1002100kΩ负载下的V OH(MIN)和V OL(MAX) 规格分别为2.498V和0.001V。使用公式1,V REF等于(2.498V + 0.001V)/2=1.249V偏移输出级,以最大化输出动态范围并避免输出级饱和。在规定增益为10时,可用于避免输出级饱和的最大差分输入电压为(2.498V + 0.001V)/(2×10)或125 mV。
您可以对三运放IA配置执行类似的分析(图5)。同样,由于不需要对三运放IA进行全面的节点电路分析,并且涉及前面提到的术语,双运放IA的结果同样适用于此; 也就是说,对于最大动态范围,输出参考电压设置在AMP1和AMP2的输出电压摆幅的中间(公式1)。

图5如果能够正确理解并应用某些运算放大器参数,可以将三个单电源运算放大器配置到仪表放大器中(Touchstone半导体公司提供)。
电路增益的表达式与双运算放大器IA(公式2)的表达形式相同。电路的输出电压是相对于V REF测量的; V REF 设计在AMP1和AMP2的输出电压摆幅中间; 可以施加到三运放IA的最大差分输入电压由公式2确定。
在另一个现实世界的例子中,设计人员使用Touchstone Semi TS1004 0.6-μA四运放来构建一个50V增益的三运放IA,采用2.5V电源供电。从TS1004的数据手册中,其对于100kΩ负载的V OH(MIN)和V OL(MAX)规格分别为2.498V和0.001V。使用公式1,输出级偏移V REF等于(2.498V + 0.001V)/2=1.249V,以便最大化输出动态范围并避免输出级饱和。在规定增益50时,可用于避免输出级饱和的最大差分输入电压为(2.498V + 0.001V)/(2×50)或25 mV。
能量收集
托尼·阿姆斯特朗,产品营销电源产品凌力尔特公司的董事,描述了通过,可以有效地收集可再生能源供电的远程无线节点,只要有正确的收获,电源管理和电池充电设备(见边栏,“ 无线传感器网络从实际数据中获得更多实用性 “)。可再生能源为能源转换和更有效地利用现有能源提供了更多机会,但它也为能量收集设备提供了机会,以帮助为建筑自动化和预测维护应用中常用的无线传感器网络供电。
阿姆斯特朗指出,传统的能量收集方法是通过太阳能电池板和风力发电机,但新兴的能量收集工具可以从各种环境源产生电能。例如,热电发电机将热量转换为电能,压电元件转换机械振动,光伏转换太阳能(或任何光子源),电流转换能量来自水分。这使得可以为远程传感器供电,或者为诸如电容器或薄膜电池的存储设备充电,使得微处理器或发射器能够在没有本地电源的情况下从远程位置供电。
Linear的能量收集产品提供有利的解决方案(表1)。该产品的规格各不相同,但该公司宣称静态电流通常低于6μA,低至450 nA; 启动电压低至20 mV; 输入电压能力高达34V连续,40V瞬态; 处理交流输入的能力; 多输出能力和自治系统电源管理; 自动极端操作; 太阳能输入的最大功率点控制; 能够从低至1°C的温度三角洲收集能量; 紧凑的解决方案足迹。

由于太阳能发电可变,几乎所有太阳能供电设备都配备可充电电池。显然,目标是尽可能多地提取太阳能,以便快速为这些电池充电并保持其充电状态。
虽然太阳能电池本质上是低效率的设备,但它们确实具有最大输出功率点,因此此时的操作是明显的设计目标。阿姆斯特朗观察到的问题是,最大输出功率的IV特性随着照度而变化。单晶太阳能电池的输出电流与光强度成比例,而其在最大功率输出时的电压相对恒定。给定光强度的最大功率输出发生在每条曲线的拐点处,其中单元从恒压器件转换到恒流器件(图6)。

图6显示了单个光伏电池的典型最大功率点控制点。给定光强度的最大功率输出发生在每条曲线的拐点处,其中单元从恒定电压器件转换到恒定电流器件(由Linear Technology提供)。
因此,当照明水平无法满足充电器的全部功率要求时,有效地从太阳能电池板提取电力的充电器设计必须能够将电池板的输出电压转向最大功率点。Linear的用于太阳能应用的LT3652多化学2A电池充电器使用输入电压调节环路,当输入电压低于由简单分压器网络设定的编程电平时,该环路可降低充电电流。当由太阳能电池板供电时,输入电压调节回路使面板保持接近峰值输出。
综合AFE方法
完整的传感器解决方案需要满足传感器驱动和输出要求,采样率,信号路径校准,性能,传感器诊断和功耗需求。简化周期并缩短开发时间意味着更快的上市时间和每年完成的更多设计。然而,大多数现有方法仅解决了这些问题中的一小部分,并且使用分立组件进行开发是耗时且复杂的。
德州仪器的可配置传感器AFE(模拟前端)IC和Webench传感器AFE设计器是集成硬件和软件开发平台的一部分,可让工程师选择传感器,设计和配置解决方案,并在几分钟内下载配置。工程师可以在线或在工作台上评估完整的信号路径解决方案。
在食品加工,水质管理和化学处理等行业中实现准确的pH测量涉及应对设计挑战,包括极端温度变化,高输出阻抗,偏移和漂移。TI表示,其LMP91200可配置AFE提供集成的pH传感器AFE电路,可与所有可用的pH传感器连接,并弥补传感器与微处理器之间的差距(图7),以集成的小外形尺寸解决设计挑战。

图7 LMP91200可配置AFE提供集成的pH传感器AFE电路,可与所有可用的pH传感器连接,并弥补传感器与微处理器之间的差距(德州仪器公司提供)。
TI的LMP91050 NDIR(非分散红外)气体感应AFE同时支持多个热电堆传感器,用于NDIR传感,室内空气质量监测,需求控制通风,HVAC,酒精摄入呼吸分析,温室气体监测和氟利昂检测(图8)。

图8 LMP91050 NDIR气体感应AFE支持多种类型的热电堆传感器(德州仪器公司提供)。

参考
  1. Analog Devices,电路笔记CN0216,“ 使用AD7791 24位西格玛 - 三角形ADC与ExternalADA4528-1零漂移放大器进行精密称重设计 ”,第1页。
  2. ADI公司的AD8237数据手册,“ 微功率,零漂移,TrueRail-to-Rail仪表放大器 ”,第26页。

无线传感器网络从实际数据中获得更多实用性

无线传感器网络正在改变信息收集方式,增加了有关物理世界的数据量和可访问性。部署有线传感器网络的成本通常是传感器成本的10到100倍。根据凌力尔特公司Dust Networks产品集团总裁Joy Weiss的说法,无线传感器网络的真正价值在于您可以将传感器放在任何地方 - 不仅仅是电源或通信线路已经方便的位置,而是您想要的任何地方测量或向系统添加控制点。Weiss引用了WSN启用的一些应用程序示例:
  • Vigilent基于M3闭环控制技术,为数据中心,电信公司和大型商业建筑提供智能能源管理系统。为了在整个数据中心收集必要的温度和湿度数据,传感器需要广泛而密集地分布。然而,通过通信和电力布线改造数据中心是不切实际的并且成本过高。Vigilent使用无线连接的传感器节点来解决这些问题。在为其产品选择凌力尔特公司的Dust Networks SmartMesh解决方案时,Vigilent认为成功的关键因素是对低功耗,高可靠性和强大安全性的需求。
  • 艾默生过程管理帮助企业实现化学,石油和天然气,炼油,纸浆和造纸,电力,水和废水处理,金属和采矿,食品和饮料,生命科学和其他行业的生产,加工和分销自动化。艾默生的智能无线产品和解决方案基于IEC 62591无线标准,并采用了Linear / Dust的SmartMesh WirelessHART产品,可将预测智能扩展到以前超出物理或经济范围的区域。
  • Streetline为城市,车库,机场,大学和其他停车场提供智能停车解决方案(图A)旨在通过使用支持传感器的移动和Web应用程序,使智能城市成为现实。Streetline需要一种足够强大的无线网络解决方案,能够在恶劣和动态的街道条件下运行 - 这种情况可能很大且密集,可能会在没有电池更换的情况下运行多年。Streetline的智能停车解决方案在覆盖好莱坞/洛杉矶地区街道的无线网状网络中使用Linear / Dust的SmartMesh技术。埋在街道路面停车场的无线传感器可用; 然后将信息无线发送给智能手机用户。

 
图A Streetline Networks的智能停车管理解决方案在覆盖城市街道的无线网状网络中使用凌力尔特/尘埃网络的无线技术。埋在人行道中的无线传感器收集有关停车空间可用性的信息,该信息通过无线方式发送给智能手机用户。

用户喜欢...

电源引脚上的单线接口,用于传感器信号调节器校准

校准是许多传感器(或变送器)制造过程中的关键步骤,例如压力,温度和位置传感器。校准所需的一个关键组件是传感器和校准系统之间的通信接口。该通信接口涉及传感器和校准系统中的硬...


自主汽车传感器:处理器算法如何获得输入

尽管鉴于最近特斯拉级别S的死亡,有关自主汽车消亡的非技术性媒体报道,我想在本文中介绍传感器电子设备,结合更好和更精细的软件算法,最终将实现在未来十年内,一辆安全,完全自主...


相位多路复用技术改善了多传感器读数

一位同事正在研究设计智能手表,健身可穿戴设备等所固有的一些挑战。主要挑战之一是如何获得更好的信号质量以获得更准确的血氧测量。该解决方案基于我们之前的扩频技术经验。我们意识...


辐射传感器设计和应用:LS 3N163

无线实时辐射传感器网络为普通公众和在高辐射区域工作的人提供更好的辐射危害保护。结合辐射水平的实时本地化和全球热图,这些辐射网络将有助于政府和环境机构了解辐射景观,并在辐射...


带嵌入式传感器的地理标记兼容LoRaWAN

Everynet平台副总裁Jon Pearce会面。Pearce教会了我需要了解的关于LoRaWAN及其技术方面的所有内容;他在该领域拥有广泛的背景,特别是因为他以前是Microchip Technology的LoRaWAN产品的产品线经理,也是...


恩智浦S32V视觉和传感器融合评估板

概述 恩智浦S32V234-EVB是支持S32V230系列的评估系统和开发平台。该系列产品专为高性能、安全的计算密集型应用而设计,如汽车前视、环视和传感器融合。有两个EVB选件可用 - 一个有内置显示,...


S32V234适用于ADAS、NCAP前视摄像头、异物检测和识别、环视、机器学习和传感器融合应用

概述 S32V234是我们的第二代视觉处理器系列,旨在支持图像处理的计算密集型应用,并提供了一个ISP、强大的3D GPU、双APEX-2视觉加速器和安全性,以及支持SafeAssure。S32V234适用于ADAS、NCAP前视摄...


TLE493D-W2B6低功耗3D霍尔传感器提供精确的三维传感,功耗极低

TLE493D-W2B6低功耗3D霍尔传感器提供精确的三维传感,功耗极低。 TLE493D-W2B6采用小型6引脚封装,可直接测量磁场的x,y和z分量。 传感器可由微控制器配置,测量数据以数字格式提供给微控制器。...


这些传感器具有额外的感官感知

传感器是物联网(IoT)的支柱,用于从监控脉冲到家中空气质量的各个方面。它们可以跟踪电机的运行情况,甚至跟踪运动。 Microchip的MGC3140(图1)是一款三维(3D)手势识别控制器,面向汽车...


7 轴集成式解决方案(陀螺仪 + 加速计 + 压力)

InvenSense 的 ICM 20789 是 7 轴高性能集成式 6 轴惯性和气压压力传感器 InvenSense7 轴 ICM-20789 是一款集成的 6 轴惯性器件,结合了 3 轴陀螺仪、3 轴加速计和超低噪声 MEMS 电容式压力传感器,采用...


SmartMotion 开发解决方案具有 Microchip Technology SAMG55 主机控制器和 InvenSense 运动传感器

SmartMotion 开发平台 TDK 的 SmartMotion 开发解决方案具有 Microchip Technology SAMG55 主机控制器和 InvenSense 运动传感器 TDKSmartMotion 平台是InvenSense运动传感器设备的全面开发套件。该平台围绕Microchip的...


ZMOD4410 室内空气质量传感器 IDT 的室内空气质量传感器平台设计用于检测总挥发性有机物

ZMOD4410 室内空气质量传感器 IDT 的室内空气质量传感器平台设计用于检测总挥发性有机物 IDTZMOD4410 气体传感器模块设计用于检测总挥发性有机化合物 (TVOC) 和监测室内空气质量 (IAQ)。该器件是一...


ams ENS210相对湿度与温度传感器集成湿度传感器与高准确度温度传感器

ams ENS210相对湿度与温度传感器集成湿度传感器与高准确度温度传感器,采用 QFN4 封装。 ENS210内含一个I 2 C从属接口,用于与主处理器通信。 ENS210作业温度范围介于-40C至100C,作业相对湿度范围...


AWR1642 Single-Chip 77- and 79-GHz FMCW Radar 传感器

AWR1642 Single-Chip 77- and 79-GHz FMCW Radar Sensor...


德州仪器的AWR1642和IWR1642是集成DSP和MCU的单芯片76 GHz至81 GHz FMCW雷达传感器

AWR1642和IWR1642器件是独立的FMCW雷达传感器单芯片解决方案,可简化汽车雷达(AWR1642)和毫米波传感器在76 GHz至81 GHz频段的实施。它们采用德州仪器的低功耗45纳米RFCMOS工艺制造,该工艺能够单片...