傳感器信號調理電路

信號調理往往是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數據采集、控制過程、執行計算顯示讀出和其他目的的數字信號。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運動、位置、PH、光強等。通常，傳感器信號不能直接轉換為數字數據，這是因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數字數據之前必須進行調理。調理就是放大，緩沖或定標模擬信號，使其適合于模/數轉換器（ADC）的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數字化，并把數字信號送到微控制器或其他數字器件，以便用于系統的數據處理。此鏈路工作的關鍵是選擇運放，運放要正確地接口被測的各種類型傳感器。然后，設計人員必須選擇ADC。ADC應具有處理來自輸入電路信號的能力，并能產生滿足數據采集系統分辨率、精度和取樣率的數字輸出。

　　傳感器

　　傳感器根據所測物理量的類型可分類為：測量溫度的熱電偶、電阻溫度檢測器（RTD）、熱敏電阻；測量壓力或力的應變片；測量溶液酸堿值的PH電極；用于光電子測量光強的PIN光電二極管等等。傳感器可進一步分類為有源或無源。有源傳感器需要一個外部激勵源（電壓或電流源），而無源傳感器不用激勵而產生自己本身的電壓。通常的有源傳感器是RTD、熱敏電阻、應變片，而熱電偶和PIN二極管是無源傳感器。為了確定與傳感器接口的放大器所必須具備的性能指標，設計人員必須考慮傳感器如下的主要性能指標：

　　·源阻抗

　　——高的源阻抗大于100KΩ

　　——低的源阻抗小于100Ω

　　·輸出信號電平

　　——高信號電平大于500mV滿標

　　——低信號電平大于100mV滿標

　　·動態范圍

　　在傳感器的激勵范圍產生一個可測量的輸出信號。它取決于所用傳感器類型。

　　放大器功用

　　放大器除提供dc信號增益外，還緩沖和定標送到ADC之前的傳感器輸入。放大器有兩個關鍵職責。一個是根據傳感器特性為傳感器提供合適的接口。另一個職責是根據所呈現的負載接口ADC。關鍵因素包括放大器和ADC之間的連接距離，電容負載效應和ADC的輸入阻抗。

　　選擇放大器與傳感器正確接口時，設計人員必須使放大器與傳感器特性匹配。可靠的放大器特性對于傳感器——放大器組合的工作是關鍵性的。例如，PH電極是一個高阻抗傳感器，所以，放大器的輸入偏置電流是優先考慮的。PH傳感器所提供的信號不允許產生任何相當大的電流，所以，放大器必須是在工作時不需要高輸入偏置電流的型號。具有低輸入偏置電流的高阻抗MOS輸入放大器是符合這種要求的選擇。另外，對于應用增益帶寬乘積（GBP）是低優先考慮，這是因為傳感器工作在低頻，而放大器的頻率響應不應該妨礙傳感器信號波形的真正再生。

傳感器和放大器匹配電路

　　PH電極緩沖器

　高阻抗PH傳感器可與具有低功率電路（僅需要2個1.5V電池供電）的放大器配對。放大器MOS輸入晶體管為傳感器提供高阻抗，傳感器輸出阻抗為1MW或更大。此放大器的輸入偏置電流小于1pA，所以，放大器工作消耗非常小的電流。放大器的失調電壓小于1mV。放大器提供軌到軌工作并具有高驅動能力，能在長線上發送信號（放大器遠離ADC的情況）。在電路中增加了一個精密溫度傳感器，可以測量PH傳感器的溫度。這使得具有的PH溫度補償值。

　　完整的傳感器橋接口

　　·測量應變片傳感器通常要通過橋網絡，應變片構成橋的兩個（或4個）臂。應變片是低源阻抗器件，其輸出信號范圍是小的（幾百微伏~幾毫伏）。圖3所示的電路能為測量傳感器信號提供測量橋穩定激勵電壓和高共模電壓抑制（CMR），消除了任何共模電壓。用高精度和非常低漂移（隨溫度）的精密電壓基準驅動放大器A1。這可為橋提供非常、穩定的激勵源。因為共模電壓大約為激勵電壓的一半，所以被測信號僅僅是橋臂之間小的差分電壓。放大器A2、A3、A4必須提供高共模抑制比（CMRR），所以僅測量差分電壓。這些放大器也必須具有低值輸入失調電壓（VOS）漂移（也稱之為失調電壓溫度系數TCVOS）和輸入偏置電流，以使得從傳感器能地讀數。放大器A1~A4連接成儀表放大器以達到上述目標。這種配置的電壓增益（AV）為：AV=（1+2R2/bR2）（aR1/R1），其中a和b是確定總增益的比值。

　　輻射分析儀通道

　　輻射譜測量來自輻射源的發射能量的分布，輻射源可以是粒子，X射線或γ射線。輻射照到閃光晶體上并發射強度正比于能量的短脈沖。然后由PIN光電二極管把光轉換為電流。放大器（見圖4）用做首置放大器和PIN光電二極管輸出的電流/電壓轉換器。此電路為用于基本輻射譜的單通道分析儀。信號的脈沖幅度包含重要信息，所以低輸入失調電壓和低失調電壓漂移是重要的。寬帶寬為處理脈沖（可窄到幾納秒）提供快速響應。首置放大器輸出（VOUT）到脈沖幅度分析儀（如快速ADC）來測量和儲存每個峰值發生的數。分布是單個源的光譜。反饋電阻R1值取決于來自PIN光電二極管的zui大電流和到ADC的zui大輸出電壓。因此，R1=（MaxVOUT）/（MaxISIGNAL）。電容C1用于PIN光電二極管寄生電容的補償。R2和C2相當于R1和C1用于補償放大器非倒相輸入的輸入偏置電流。