原创 灵活的传感器信号调理器（一）

灵活的传感器信号调理和安全传输

    马超群(Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430) 

单芯片传感器信号调理器集成附加功能提供灵活的信号调理

专业的传感器记录各种各样物理参数提供给人或者机器用来更好的决策和优化处理。为了达到期望的结果，传感器的信号质量和功能安全是同样重要的。此外，转换这些被测量的参数必要时应该尽可能的精确和包含易于集成的电子输出级。

设计者面对的一个挑战是廉价的放大这些小信号，这些信号通常具有非线性以及参数受温度影响。使用下面的这些方法来调理它们，使得在恶劣的工业环境下通过长电缆能够保证安全传输。

设计者也需要决定如果要传输信号，传输的信号是数字的还是模拟的。本文概述了针对这个问题的可能方法，描述了一个通用的结构、集成的、可编程的信号调理器用于线性和旋转编码器、AMR传感器和光学传感器的信号预处理，来满足工业应用的要求。

信号的质量和错误保护是决定性的

为达到最佳的适应和评估各种传感器元件，例如，用来测量温度、压力/压强、加速度、位置或光强度，需要一个仪表放大器来提供一个必要的放大。仪表放大器是一个差分器件，两个输入同样放大；它要求必须包含灵活的、可调节的和具有一个高阻抗输入来处理这些非常微弱的传感器信号。它也必须具有补偿能力来补偿由于生产引起的制造偏差。在信号调理级，应该考虑到由温度或温度漂移以及泄露、抑制引起的非线性影响，还要避免噪声或在传感器感应的干扰。传感器桥阵列（典型的是惠斯通电桥）尤其适合抑制共模干扰以及即使轻微的电压改变也能够提供一个足够的信号质量。当需要在信号通道定位可能的信号错误源时，考虑下面的这些可能性：

l         检查线路断路或者短路

l         在传感器上或者在信号传输期间感应的干扰

l         电源供电中断或者接地不良

l         超出最大工作温度范围

一个个冗余的信号路径模式已被证明在高要求的错误保护情况下是明智的，但传感器信号电缆的成本将会加倍。一个好的折中是以传感器信号的差异作为条件来简单的检测信号线错误，以及结合这个使用一个集成的温度探测器和一个电压探测器和传感器监控功能来提供各种诊断功能，包括识别传感器焊接和线缆失效以及温度监控。关于传输传感器信号，一个供替代的选择是在信号调理之后立即数字化这些值，然后使用安全的数字协议传输它们。为了达到较高的测量分辨率，每个传感器需要一个ADC，而这将涉及到更高的使用复杂的现场总线协议的成本。

简单的电压信号（例如，0-10V）或者电流信号（例如，4-20mA）接口是相当通用的但不提供标准监控。系统设计者因此选择差分传输模拟测量值，差分传输使得传感器信号在驱动器方面逻辑是有效的以及即使使用长的连接电缆共模干扰也会得到抑制。采用这些建议，iC-Haus构思了iC-TW3，一个差分的，三通道可编程信号调理器，配备100-120Ω闭环差分线驱动器。

一个通用的信号调理器

图1所示的是iC-TW3通用信号调理器的差分信号通路。此器件由一个可编程输入放大器、一个偏置补偿级、一个动态滤波器和一个差分输出放大器组成。输入偏置、增益和低通滤波器频率可在此信号通路中设置。在所有三级放大覆盖的-6到57dB范围可由间隔0.08dB进行设置。一个总共±1240mV的偏置电压可由多个40mV配置给前端放大器。一个总共±2.54mV的偏置补偿值可以2mV为单位由下游的动态滤波器放大器设置。输出放大器也包含差分线驱动器和推动已调整的信号，以便使用一个低阻线终端（例如，120Ω）也可以用来直接传输1Vpp的信号。

图1：传感器信号调理通路

此放大器输入也可以工作在单端模式。如果有这样的需求，则放大器负的输入端要连接到VDD/2。作为一个附加的选择，连接到传感器器件的线缆断开可以由切换到内部的2MΩ上拉电阻来监控。发生此错误事件，信号调理器iC-TW3由NERR输出一个低电平标志产生了一个传感器断开事件。

自动温度补偿

温度错误通常在传感器部分没有补偿，但会在中心计算机、微控制器、PLC或者驱动器补偿。温度直接由传感器测量并且作为一附加参数被传输。作为一种选择，温度可以在传感器部分测量，用来限制监控和执行本地补偿。后面的这种方法基于两个温度测量点的线性插补细分。为此，iC-TW3允许一个总计16个自由选择的插补细分点在0-255的范围，包括最低值0和最高值255。使用集成的温度传感器，这相当于-50℃到150℃的范围。然而，两点距离之间的温度传感器曲线可以自由地选择以及可以被调节到适合任何类型的曲线。这些插补细分点存储在一个查找表里，iC-TW3自动地差补细分通道A和通道B的增益和偏置与通道Z的偏置一样好。一个总计五个8位的值给可能的16个插补细分点，存储在I²C连接的EEPROM表格里。这个例子如图2所示，七个定义好的差补细分点用于温度补偿来矫正所连接的传感器的偏置和增益的非线性。

图2：插补细分温度补偿增益和偏置

一个外部温度传感器也可以被连接到iC-TW3，此传感器应该从物理上隔开电子和其他环境温度的影响。一个在-50℃和150℃之间的8位的值被用来定义一个可选择的门限温度触发警报。这个警报由iC-TW3的ERR管脚输出一个低电平，此也可以被用来驱动一个通用错误LED指示。