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传感器信号通道设计

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  RTD具有较宽的测温范围,最高达+750°C,具有较高精度和较好的可重复性,线性度适中。对于Pt-RTD,最常见的电阻值为:0°C时,标称值为100Ω或1kΩ,当然也有其它电阻值。

  RTD的信号调理可以非常简单:将RTD与一个精密的固定阻值电阻相连,构成分压器;也可以采用更复杂的信号调理,尤其是在宽温测量中。方案中通常包括:精密电流源、电压基准和高分辨率ADC,如图3所示。利用查找表或通过计算、外部线性化处理电路对传感器进行线性化调整。




图3   RTD信号调理电路简化图

热电偶

  热电偶由两种连接在一起的不同金属制成。金属丝之间的触点所产生的电压与温度近似成比例关系。有几种类型的热电偶分别以字母表示。最常见的热电偶为K型热电偶。

  热电偶具有非常宽的测温范围,高达+1800°C;成本很低,具体成本与封装有关;具有较低的输出电压,K型热电偶的输出大约为40?V/°C;线性度适中,并可提供适当的复杂信号调理,即冷端补偿和放大。

  由于热电偶输出信号较低,利用热电偶测量温度具有一定难度。由于热电偶金属丝连接到信号调理电路的铜线(或引线)时,在触点位置又会产生额外的热电偶,进一步加剧了测量的复杂性。该触点称为冷端(图4所示)。为了利用热电偶准确测量温度,必须在冷端位置增加第二个温度传感器,如图5所示。然后将冷端测量温度与热电偶测量值相叠加。图5所示电路是一种实施方案,其中包括多款精密元件。



图4  热电偶电路简化图

金属1和金属2之间的结为主热电偶结。金属1和金属2与测量装置铜线或印制板(PCB)引线的接触位置形成了额外的热电偶。

  除图5所示所有元件外,Maxim还提供用于K型热电偶信号调理的器件MAX6*。这些器件简化了设计任务,并显著降低对热电偶输出放大、冷端补偿及数字化处理的元件数量。


图5   热电偶信号调理电路示例

温度传感器IC

  温度传感器IC充分利用了硅PN结所具备的线性度和预知的温度特性等优势。由于这些IC都是采用常规半导体工艺制成的有源电路,可提供各种外形封装。这些器件具备许多功能,例如:数字接口、ADC输入、风扇控制等,这是其它技术无法提供的。温度传感器IC的工作温度范围可低至-55°C、高达+125°C,部分产品的温度上限可以达到+150°C左右。以下介绍了常见的温度传感器IC。

模拟温度传感器

  模拟温度传感器IC将温度转换成电压,有些情况下则转换成电流。最简单的电压输出模拟温度传感器只有三个有效端:地、电源输入和信号输出。其它具有增强功能的模拟传感器提供更多的输入或输出,例如比较器 或电压基准输出。

  模拟温度传感器利用双极型晶体管的温度特性产生与温度成比例的输出电压。对这一电压信号进行放大并施加一定的偏置,可以使传感器输出电压与管芯温度形成适当的变化关系,获得较高的温度测量精度。例如,DS600业内精度最高的模拟温度传感器,在-20°C至+100°C温度范围内保证误差小于±0.5°C。

本地数字温度传感器

  将模拟温度传感器与ADC集成在一起即可形成直接输出数字信号的温度传感器。这种器件通常称为数字温度传感器或本地数字温度传感器。“本地”表示传感器测量的是自身温度。这种工作方式相对于远端传感器,后者用于测量外部IC或分立晶体管的温度。

  基本的数字温度传感器只是简单地测量温度,温度数据通过各种特定接口读取,接口类型包括:1-Wire?、I?C、PWM 和3线。复杂的数字传感器具备更多功能,例如:高温/低温报警输出、设置触发门限的寄存器及EEPROM等。Maxim提供多款本地数字温度传感器,包括DS7505和DS18B20,能够在较宽的温度范围内保证±0.5°C的精度。

远端数字温度传感器

  远端数字温度传感器又称为远端传感器或二极管温度传感器。远端传感器用于测量外部晶体管的温度,可以采用分立晶体管,也可以采用集成在另一IC内部的晶体管,如图4所示。微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)及ASIC往往包含一个或多个温度传感器,通常称为温度二极管,与图6所示类似。





图6 利用远端温度传感器MAX 6642监测外部IC管芯的晶体管(或温度二极管)温度

  远端温度传感器具有一个重要优势:可以利用单片IC监测多点温度。一个基本的单芯片远端传感器,例如,图4中的MAX 6642,可以监测两个温度:自身温度和外部温度。外部位置可以是目标IC的管芯,如图4所示,也可以是被监测电路板的某个温度监测点(采用分立式晶体管)。有些远端传感器可以监测最多7个位置的外部温度。这样的话,包括IC和电路板的温度监测点在内,单芯片能够监测多达8个位置。以MAX6602 为例,该温度传感器具有4路远端二极管输入,能够监测1对集成温度二极管的FPGA、2个电路板的温度监测点(采用分立晶体管)以及MAX6602所在位置的电路板温度。MAX6602和MAX 6642 在测量外部温度二极管时都能达到±1°C的精度。

电流、光信号及接近检测

概述

  电流检测对于很多应用都十分关键,有两种常见的测量方法。

  1.一种方法通常用于大电流检测,往往用来监测电源。典型应用包括:短路检测、瞬态检测以及电池反接检测。

  2.电流检测还用于那些需要检测弱电流(低至微安级)的系统,例如:光照下能够产生极小电流的光敏二极管。典型应用包括环境光检测、接近检测以及基于光吸收/发射的化学过程监测。

  这些电流检测技术都使用了电流检测放大器(具有多种配置)或互阻放大器(TIA)。以下分别讨论各种类型的电流检测放大器。

采用电流检测放大器检测电流

  测量电流的技术有多种,但截至目前为止,最常见的是利用检流电阻进行测量。这种方法的基本原理是利用基于运放的差分增益级对检流电阻两端的电压进行放大,然后测量放大后的电压。虽然可以利用分立元件搭建放大电路,但集成电流检测放大器相对于分立设计具有明显优势:极小的温漂、占用极小的印制板(PCB)面积,而且能够处理较宽的共模范围。

  多数电流检测设计采用低边或高边检测。在低边检测中,检流电阻与地通路相串联。电路只需处理较低的输入共模电压,输出电压以地为参考。但是,低边检流电阻在接地通路增加了所不希望的电阻。高边检测中,检流电阻与正电源电压相串联。此时负载的一端接地,但高边电阻必须承受相对较大的共模信号。


图7  电流检测信号链路框图

  Maxim的高边电流检测放大器把检流电阻连接到电源的正端和被监测电路的电源输入之间。这种设计避免了接地通道的外接电阻,大大简化电路布局,有助于改善电路的总体性能。Maxim提供的单向和双电流检测IC有些带有内部检流电阻,有些采用外部检流电阻。

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