- 傳感器的信號傳輸路徑
- 傳感器的信號放大
- 線(xiàn)路中優(yōu)先對噪聲的處理
圖1，一只傳感器的模擬信號路徑可以分為幾級：放大、濾波和數字化。
傳感器的模擬信號必須經(jīng)過(guò)數字化才能供系統使用，并且信號要經(jīng)過(guò)放大、濾波和數字化（圖1）。每一級通常都涉及一只圍繞著(zhù)一些無(wú)源元件的器件，以正確地實(shí)現一個(gè)應用。一旦對信號做了數字化，就可以將其送給微處理器上的控制系統，或整理數據后通過(guò)一個(gè)通信協(xié)議送至一只主處理器。協(xié)議可以根據需要使用傳感器數據。
每個(gè)傳感器有不同的輸出信號和范圍。輸出的信號可以是電壓、電流、電阻、電容或頻率，但幾乎不存在什么標準，只有專(zhuān)用的工業(yè)系統在使用它們。即使同一制造商的類(lèi)似傳感器也可以有不同的輸出，而這些差異會(huì )給系統設計者帶來(lái)一些麻煩。設計者選擇傳感器時(shí)必須滿(mǎn)足系統的需求。然而，如果在設計期間這種需求出現變化，則傳感器也要做出修改。另外，一款輸出略有不同的新傳感器必須對放大級和濾波級作出改動(dòng)。
大多數傳感器都輸出一個(gè)低電平的電流或電壓信號，因此一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò )就能將任何電流信號變?yōu)橐粋€(gè)電壓。本文簡(jiǎn)單描述了一些概念和元件選擇過(guò)程。
幅度
一只傳感器的輸出可以低至數毫伏，也可以高達數伏特。為做到正確的數字化，對ADC來(lái)說(shuō)信號必須足夠大，才能有效地讀出。大多數情況下，傳感器信號都需要放大。例如，一個(gè)典型的K型熱電偶輸出為41μV/°C，如果你的設計需要1°C的粒度，就需要做相當的放大。因此，必須考慮到ADC的分辨率，以確保能將信號放大到能滿(mǎn)足所需粒度。
對放大器的選擇主要取決于需要的類(lèi)型，例如是儀表放大器、差分放大器、運算放大器，還是PGA（可編程增益放大器）。另外還必須確定放大器需要的增益大小。放大器周?chē)碾娮杈W(wǎng)絡(luò )（帶反饋）決定了放大器的增益。理想情況下，標準放大器的最大增益是無(wú)限的。給器件的數字信號通常就設定了PGA的增益。這個(gè)信號改變了內部電阻網(wǎng)絡(luò )。一只PGA的最大可能增益為傳統放大器的千分之一至二分之一，但大多數情況下這個(gè)區間是可以接受的。
對于放大器還必須考慮另外一個(gè)重要規格：偏移電壓。偏移電壓是一個(gè)信號通過(guò)放大器時(shí)改變的電壓量。例如，如果將一個(gè)500mV信號送給一個(gè)單位增益（即增益為1）的放大器，偏移電壓為10mV，則得到的輸出就是510mV。如果傳感器的輸出范圍為0至900mV，而系統不需要非常精密的傳感器讀數，那么這個(gè)偏移就可以忽略不計。如果傳感器的范圍為450mV至550mV，這個(gè)偏移可能就不可接受了。偏移電壓越小，放大器就越貴。所有放大器都有偏移，但你需要知道系統是否能容忍它?？梢杂孟嚓P(guān)雙采樣方法來(lái)降低或消除偏移電壓。
濾波
所有系統都會(huì )在傳感器信號上疊加一些噪聲。噪聲來(lái)源有各個(gè)方面，包括電路板布局、射頻、熱元件，甚至傳感器自身。信號噪聲會(huì )使ADC的讀數不精確和不穩定，噪聲電平在放大器中會(huì )得到增強，因為放大器能放大信號中的誤差。信號噪聲可以分為低頻、高頻或某個(gè)已知頻率。通常最需要解決的是高頻噪聲問(wèn)題?！?br />
圖2，傳感器的信號路徑中包括放大器、濾波器和ADC。濾波器的設計用于去除信號中的噪聲，限制帶寬。
用無(wú)源模擬濾波器、濾波器IC和數字濾波器都可以濾除噪聲（圖2）。最常見(jiàn)的方法是無(wú)源濾波，這要用電阻、電容和電感建立一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò )。不過(guò)，你必須設計無(wú)源的濾波器，并且無(wú)法簡(jiǎn)單地改變它們。濾波器設計的復雜度可能與你所需濾波器等級一樣大；一個(gè)一階Chebyshev濾波器的設計工作量要比一個(gè)八階Bessel濾波器小得多。因此你應確定需要的濾波器階數，然后再選擇自己采用的濾波方法。
某些IC允許你用數字編程方法，確定需要的濾波器類(lèi)型。這些IC用內部的模擬電路建立濾波器，并可能有與之相關(guān)的偏移電壓。它們也可以讓你將濾波步驟移到ADC量化的后面。數字濾波器設計可以很復雜，但有很多能幫助做出高階濾波器的簡(jiǎn)便設計。數字濾波是去除噪聲的一個(gè)理想方式，但是，它通常需要很多CPU周期，增加了功耗。系統通常會(huì )引起高頻噪聲，因此需要采用低通濾波器。這種濾波器可衰減高于所設定截止頻率的信號部分。有些傳感器信號要求采用相互串聯(lián)的多種類(lèi)型濾波器。大多數傳感器數據表中都指定了一個(gè)基本的接口電路，但并未提及所需要的濾波形式。系統設計者必須在徹底了解需要的濾波形式以后，再建立系統。
