現代傳感器能檢測許多模擬屬性，如溫度、力、壓力、濕度、流動(dòng)、功率等，并將其轉換成一定的電壓、電流、電荷輸出。這些輸出或為阻性模擬信號， 或為純數字信號， 其大小與對應的環(huán)境激勵成比例。有些傳感器可自行工作； 還有一些則需要提供電源， 通常是電壓源或電流源形式。很多時(shí)候， 需要對信號做單獨的調節或合并， 才能提供有用的電子輸出信號。

 

Tretter指出，用于零漂信號調節的自動(dòng)穩零架構包括一個(gè)主放大器和次放大器，主放大器永遠連到輸入端，而次放大器則不斷修正它們自己的偏移，并將偏移修正值應用于主放大器。Microchip公司已在MCP6V01上實(shí)現了這種類(lèi)型的架構，其主放大器偏移誤差的修正速度為1萬(wàn)次/s，從而獲得了Microchip稱(chēng)之為極低的偏移和失調漂移。

 

斬波穩零架構也使用一只永遠與輸入端相連的大帶寬主放大器， 另外有一個(gè)“ 輔助” 放大器， 它使用開(kāi)關(guān)來(lái)斬斷輸入信號， 為主放大器提供偏移校正。例如，Microchip的MCP6V11小功率放大器通過(guò)斬波動(dòng)作最大限度地減少了偏移以及偏移相關(guān)的誤差。

 

雖然內部工作方式不同，但自動(dòng)穩零和斬波穩零放大器都有相同的目標： 盡量減小偏移以及偏移相關(guān)的誤差。結果不僅獲得了低的初始偏移， 而且在各個(gè)時(shí)間和溫度下也有低的失調漂移、極好的共模抑制與電源抑制，并消除了1/f ( 頻率相關(guān))噪聲。

 

斬波架構

 

Analog Devices公司應用工程經(jīng)理Reza Moghimi指出，很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個(gè)高增益和有精確性能(接近于dc)的信號調節電路。這些傳感器的應用包括精密電子秤、測壓元件與橋式換能器、熱電偶/溫差電堆傳感器的接口，以及精密醫療儀器。

 

用于這些傳感器信號調節的是非精密放大器， 它們的偏移電壓、失調漂移電壓， 以及1 / f 噪聲都會(huì )造成誤差， 需要軟件或硬件的校正。Moghimi提供了一個(gè)采用零漂放大器做高精度信號調節的實(shí)例。該放大器設計實(shí)現了超低偏移電壓與漂移、高開(kāi)環(huán)增益、高電源抑制比、高共模抑制能力，且無(wú)1/f噪聲，設計人員獲得了無(wú)需校正的便利。

 

 

圖1中的電路是一個(gè)單電源精密電子秤， 它使用了AD7791 ，這是一款小功率帶緩沖的24 位Σ - ΔADC ， 還有一只外接的ADA4528- x 零漂放大器。電路已經(jīng)過(guò)了ADI的建立與測試，具體說(shuō)明見(jiàn)參考文獻1， 在10 mV滿(mǎn)量程輸出下，對一個(gè)測重元件可產(chǎn)生15.3 位的無(wú)噪聲編碼分辨率， 并在從9.5Hz~120Hz的整個(gè)輸出數據區間上都能保持良好的性能。

 

電路中的差分放大器包括兩只低噪聲零漂ADA 4528 放大器，它具有1kHz 時(shí)5. 6nV/電壓噪聲密度，0.3μV偏移電壓，0.002μV /失調電壓漂移，以及分別為158dB和150dB的共模抑制與電源抑制。電路增益等于1+2R1/RG，電容C1、C2與電阻R1、R2并聯(lián)實(shí)現的低通濾波器將噪聲帶寬限制到4.3Hz，阻止了進(jìn)入Σ - Δ ADC 的噪聲量。C5、R3和R4構成一個(gè)截止頻率為8Hz 的差分濾波器， 用于進(jìn)一步限制噪聲。C3 、C4 與R3 、R4共同構成截止頻率為159Hz的共模濾波器。

 

 

另一個(gè)高精度小功率信號調節的例子是圖2中給出的心電圖電路，也在參考文獻2中有說(shuō)明。ECG電路必須工作在一個(gè)差分dc偏移下，因為電極有半電池電勢。這個(gè)過(guò)壓的容限通常是±300 mV，但在有些情況下可以為1V或更高。ECG電路中有電源電壓的下降趨勢及存在這個(gè)較高半電池電勢，限制了可以加在第一級信號調節上的增益。

 

AD8237架構解決這一問(wèn)題的方法是，從輸出端到REF管腳接一個(gè)低頻反相積分器，其擺幅最多為dc偏移，而不是dc偏移與增益的乘積。由于放大器增益加在積分器輸出端，放大級可以施加高增益，并降低對系統其余部分的精度要求。這級放大之后信號路徑中器件的噪聲與偏移誤差對整體精度幾乎沒(méi)有貢獻。AD8607雙微功耗儀表運放用于積分、緩沖與電平轉換，電源電流為115μA。圖中未顯示應有的去耦部分。

 

零漂軌至軌輸入與輸出儀表放大器可以工作在最小1.8V 電源電壓， 增益漂移為0.5 ppm / ，而失調漂移電壓為0.2 μV / 。兩只外接電阻可在1 ~1000 區間內設定增益值。AD 8607 可以滿(mǎn)幅放大共模電壓等于或超出300 mV電源電壓的信號。

應用

 

Microchip公司的Tretter指出，當斬波穩零放大器首次進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，它們具有大開(kāi)關(guān)電流與布局敏感的特性， 使之既難使用成本又高。因此設計者將其局限用于那些性能非常關(guān)鍵的應用。自那以后， 工藝技術(shù)與硅設計的發(fā)展改善了零漂放大器的可用性， 從而在廣泛的應用中找到了用武之地， 包括醫療設備、工業(yè)流量?jì)x表、萬(wàn)用表、高端稱(chēng)重計， 甚至游戲機等。很多傳感器通常都排列成一種Wheatstone橋結構，如應力規、RTD(電阻溫度檢測器)和壓力傳感器(圖3)，因為這種電路類(lèi)型提供了出色的靈敏度。即使在一個(gè)Wheatstone橋結構中使用了多只傳感器， 輸出電壓的總變化也相對較小，通常在毫伏區間。由于信號幅度小，一般需要一個(gè)增益級，然后再通過(guò)ADC將電壓轉換為數字信號。Tretter稱(chēng)，零漂放大器是這類(lèi)應用的一個(gè)上佳選擇，因為它有高增益和最低的噪聲。

 

 

IA設計考慮

 

Touchstone半導體公司營(yíng)銷(xiāo)與應用副總裁Adolfo A Garcia指出，當電源電壓低(<3V)，并且可選自完備IA(儀表放大器)有限時(shí)，設計自己的IA最為簡(jiǎn)單直接，只需要了解運放的輸入輸出dc特性與電路結構。構建儀表運放有兩種很常見(jiàn)的結構，分別采用兩只和三只運放。

 

 

圖4給出了兩種運放結構。當采用單電源軌至軌的小功率運放時(shí)，主要的選擇考慮(根據應用情況)包括：dc特性，如VOS、TCVOS、AVOL(MIN)、IOS、VOH(MIN)和VOL(MAX)，以及ac特性，如放大器輸入相關(guān)噪聲與帶寬。最大輸出動(dòng)態(tài)范圍與應用無(wú)關(guān)，是實(shí)現最高電路性能的關(guān)鍵。據Garcia稱(chēng)，輸出級能提供最寬動(dòng)態(tài)范圍的單電源運放是最佳選擇，因為避免了放大器輸出級飽和問(wèn)題。

 

注意圖4電路傳輸方程中的基準電壓項(VREF)。為避免AMP1的輸出飽和，儀表放大器的輸出信號的測量必須針對VREF。在一個(gè)3 V (或更低電壓)的系統中，如要電路有最大的動(dòng)態(tài)范圍，并避免輸出級的飽和問(wèn)題，只要簡(jiǎn)單地將VREF設為電源的一半就足夠了。不過(guò)Garcia發(fā)現，只有所選運放的VOH(MIN)和VOL(MAX)規格相對其電源數據對稱(chēng)時(shí)，這個(gè)方法才是有效的。

 

 

在式2中，是IA電路上所加的最大差分輸入電壓。如果所需增益是一個(gè)已知的電路參數，則可以重新排列式中的相應項，以確定為防止輸出級飽和而能給電路施加的最大輸入差分電壓。

 

為了以最小功率運行，電路中使用的電阻應為100kΩ或更大，具體要看噪聲和帶寬設計方面的考慮。另外要指出的是，運放的VOH(MIN)和VOL(MAX)電壓規格很大程度上由放大器輸出級負載所決定，因此要注意負載電阻的情況。

 

 

有一個(gè)實(shí)際例子，選擇的是一只TS1002 雙0.6μA運放，構造了一個(gè)增益為10的雙運放IA，它的工作電源為2.5V。TS1002在100kΩ負載下的VOH(MIN)和VOL(MAX)規格分別為2.498V和0.001V 。使用式1， VREF等于(2.498V+ 0.001V)/2=1.249V，輸出級被偏置在最大輸出動(dòng)態(tài)范圍內，避免了輸出級飽和。在上述增益10情況下，為避免輸出級飽和而施加的最大差分輸入電壓為：(2.498V+0.001V)/(2×10)，約125mV。

 

 

 

對三運放I A 結構可以做一個(gè)類(lèi)似的分析( 圖5) 。同樣， 省略對三運放IA以及前述項的嚴謹全電路分析，雙運放IA的結果也很好地適用在這里，即，為獲得最大動(dòng)態(tài)范圍，輸出基準電壓要設定在A(yíng)MP1和AMP2的輸出電壓擺幅的中間(式1)。

電路增益的表達式與雙運放IA形式相同(式2)。測得的電路輸出電壓是針對VREF，VREF設計在A(yíng)MP1 和AMP2的輸出電壓擺幅中間；而可以加給三運放IA的最大差分輸入電壓則由式2決定。

 

另一個(gè)實(shí)際例子中，設計者采用了一只Touchstone半導體公司的TS10040.6μA四運放，搭建一個(gè)2.5V電源、增益為50的三運放IA。從TS1004的數據表中可查到其在100kΩ負載時(shí)的VOH(MIN)和VOL(MAX)規格分別為2.498V和0.001V。用式1，輸出級由一個(gè)為(2.498V+0.001V)/2=1.249V的VREF偏置， 以獲得最大輸出動(dòng)態(tài)范圍， 避免輸出級的飽和。在所述50 增益時(shí)， 為避免輸出級飽和而能夠施加的最大差分輸入電壓為( 2.498V + 0.001V )/( 2×50 )，約25mV。

 

能量采集

 

凌利爾特公司電源產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監TonyArmstrong描述了用可再生能源為遠程無(wú)線(xiàn)結點(diǎn)供電的情況，只要有正確的采集、電源管理與電池充電設備，就可以高效地獲得能源(見(jiàn)附文：“無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集更多真實(shí)數據服務(wù)于更多公用事業(yè)設施”)?？稍偕茉凑跒槟茉崔D換和現有能源的更高效使用提供廣泛的機會(huì )，也為能源采集器件提供了一個(gè)機會(huì )，幫助為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )提供電能。這些無(wú)線(xiàn)傳感器已普遍用于樓宇自動(dòng)化和前瞻性維護應用。

 

Armstrong指出，能源采集的傳統方式是通過(guò)太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機，但新出現的能源采集工具能夠從各種環(huán)境源中產(chǎn)生電能。例如，熱電發(fā)電機將熱能轉化為電能，壓電元件轉換機械振動(dòng)，光伏電池轉換太陽(yáng)光(或任何光子源)，而電化法是從濕度獲得能量。這樣就能夠為遠處的傳感器提供電源，或為某種存儲設備充電，如電容或薄膜電池。于是，遠方地點(diǎn)的微處理器或發(fā)射器就有電能供應，而無(wú)需在當地設立電源。

 

 

凌利爾特公司的能源采集產(chǎn)品提供了各種解決方案(表1)。各系列產(chǎn)品的規格各不相同，但該公司大力宣傳的是小于6μA、最低可至450nA的典型靜態(tài)電流，起動(dòng)電壓低至20mV，輸入電壓能夠達到連續34V，40V瞬態(tài)，還能處理交流輸入，具有多輸出能力和自動(dòng)的系統電源管理功能，自動(dòng)極性轉換，對太陽(yáng)能輸入的最高功率點(diǎn)控制，可從小到1度溫差中獲取能源的能力，以及緊湊的解決方案體積。

 

由于太陽(yáng)能的功率是變化不定的，幾乎所有太陽(yáng)能供電設備都要使用可充電電池。顯然，其目標是獲得盡可能多的太陽(yáng)能源，為這些電池快速充電，以維持它們的充電狀態(tài)。

 

雖然太陽(yáng)能電池天生就是轉換效率低的設備，但它們也有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，因此在這個(gè)點(diǎn)上工作就是一個(gè)明確的設計目標。Armstrong發(fā)現，問(wèn)題是最大輸出功率的IV特性會(huì )隨光照而改變。單晶硅太陽(yáng)能電池的輸出電流與光強度成正比，而在最大功率輸出時(shí)的電壓卻相對恒定。確定光強度下的最大功率輸出發(fā)生在每個(gè)曲線(xiàn)的拐點(diǎn)處，此時(shí)，太陽(yáng)電池從一個(gè)恒壓設備轉變?yōu)橐粋€(gè)恒流設備(圖6)。

 

 

因此，一個(gè)能從太陽(yáng)能板高效獲得能量的充電器設計，必須能在光照水平無(wú)法滿(mǎn)足充電器滿(mǎn)功率需求時(shí)，將太陽(yáng)能板的輸出電壓控制在最大功率點(diǎn)。凌利爾特公司針對太陽(yáng)能應用的LT3652多化學(xué)種類(lèi)2A電池充電器采用了一個(gè)輸入穩壓回路，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓網(wǎng)絡(luò )，當輸入電壓跌到一個(gè)預設的電平以下時(shí)，會(huì )減小充電電流。當用太陽(yáng)能板供電時(shí)，輸入穩壓回路可將太陽(yáng)能板維持在接近峰值輸出水平。

集成的AFE方案

 

完整的傳感器解決方案需要解決傳感器驅動(dòng)與輸出需求、采樣速率、信號路徑校正、性能、傳感器診斷，以及功耗需求等問(wèn)題。簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)周期以及減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，可能意味著(zhù)更快地進(jìn)入市場(chǎng)，每年做出更多的設計。不過(guò)， 大多數現行方案只解決了其中少數問(wèn)題， 用分立元件開(kāi)發(fā)既耗時(shí)又復雜。

 

德州儀器公司的可配置傳感器AFE ( 模擬前端) IC 與WebenchSensor AFE Designer是一個(gè)集成化軟硬件開(kāi)發(fā)平臺的組成部分，工程師可以用它來(lái)選擇傳感器， 設計并配置解決方案， 然后幾分鐘之內就能下載配置。工程師可以在線(xiàn)或在工作臺上立即評估整個(gè)信號路徑解決方案。

 

 

在食品加工、水質(zhì)量管理以及化學(xué)處理等行業(yè)的精確pH值測量中面臨著(zhù)一些設計挑戰， 包括極端溫度變化、高輸出阻抗、偏移以及漂移等。TI稱(chēng)它的LMP91200可配置AFE提供了一個(gè)集成pH傳感器的AFE電路，可與所有現有pH傳感器連接，是傳感器與微處理器之間的橋梁( 圖7)，它以一個(gè)集成化的小尺寸解決了這些設計挑戰。

 

 

另外， TI 的LMP91050NDIR( 非分光紅外) 氣體檢測AFE 也支持多個(gè)溫差電堆傳感器，用于NDIR檢測、室內空氣質(zhì)量監測、按需控制的通風(fēng)、HVAC、飲酒呼氣分析、溫室氣體監測， 以及氟里昂檢測等(圖8)。

附文：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集更多真實(shí)數據服務(wù)于更多公用事業(yè)設施

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )( WSN )正在改變信息收集的方式，使我們更容易從現實(shí)世界獲取更多的數據。部署一個(gè)有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的成本通常是傳感器本身成本的10~10 0 倍。據凌利爾特公司塵埃網(wǎng)產(chǎn)品部集團總裁Joy Weiss稱(chēng)，WSN的實(shí)際價(jià)值在于，你可以把一只傳感器放到任何地方，不僅是已經(jīng)有電源線(xiàn)和通信線(xiàn)路的地方，還包括任何想要測量或為一個(gè)系統增加控制點(diǎn)的地方。

 

 

Weiss舉了下面這些因WSN而實(shí)現的應用例子：

 

Vigilent根據其M3閉路控制技術(shù)，提供智能能源管理系統，用于數據中心、電信公司以及大型商用建筑。為了收集整個(gè)數據中心必要的溫度和濕度數據，傳感器要做廣泛和高密度的分布。然而，對數據中心來(lái)說(shuō)，對通信布線(xiàn)和電源布線(xiàn)做翻新是不現實(shí)的，成本高昂。Vigilent采用無(wú)線(xiàn)傳感器結點(diǎn)解決了這些問(wèn)題。Vigilent為自己的產(chǎn)品選擇了凌利爾特公司的DustNetworks SmartMesh解決方案，認為它是低功耗、高可靠性和強大安全性的關(guān)鍵成功要素。

 

Emerson Process Management幫助實(shí)現化學(xué)品、油氣、煉油、紙漿造紙、電力、水與廢水處理、金屬采礦、食品飲料、生命科學(xué)以及其它行業(yè)的生產(chǎn)、加工和配送的自動(dòng)化。Emerson的Smart Wireless產(chǎn)品與解決方案基于IEC 62591無(wú)線(xiàn)標準，采用了凌利爾特/Dust的SmartMeshWirelessHART產(chǎn)品，擴展了預測智能，超出了以前的物理與經(jīng)濟性范圍。

 

Streetline為城市、車(chē)庫、機場(chǎng)、大學(xué)以及其它泊車(chē)商提供智能泊車(chē)解決方案(如圖所示)，目標是通過(guò)采用傳感器的移動(dòng)與Web應用，使智能城市成為現實(shí)。Streetline需要一個(gè)足夠強健的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )解決方案，它能在嚴酷和動(dòng)態(tài)變化的街面情況下工作，街道可能既廣又密，可能數年時(shí)間不能更換電池。Streetline的智能泊車(chē)解決方案在一個(gè)覆蓋整個(gè)好萊塢/洛杉磯區的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )中采用了凌利爾特/Dust的SmartMesh技術(shù)。人行道里預埋的無(wú)線(xiàn)傳感器可跟蹤空出來(lái)的泊車(chē)位,然后將信息以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送給智能手機用戶(hù)。

 

 

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