输入传感器被归类为有源或无源。无源传感器，如热电偶或光电二极管(在电压输出模式下)，是双端口设备，可以直接将物理能转换为电能，产生输出信号而不需要励源。有源传感器(如一般的有源电路)需要外部激励源。电阻式传感器(如热敏电阻、电阻温度检测器、应变计)等基于电阻的传感器是其中的例子，它们需要电流或电压作为激励源以产生电输出。

本文将考虑各种可用于有源传感器/换能器应用的激励方法，并展示一些典型电路。讨论包括使用电流和电压的交流电和直流电激励技术的优点和缺点。使用数据采集系统准确测量低水平模拟信号通常不仅需要将传感器的输出连接到信号调节电路，然后连接到模数转换器。为了在测量系统中保持高分辨率和准确性，设计人员必须在选择传感器的激励源和从传感器到A/D转换器的低电平模拟信号传输的现场布线方案方面谨慎行事。图1显示了基于传感器的数据采集系统的一般框图。这些系统中获取的数据的完整性取决于这里所示的模拟信号路径的所有部分。

对于给定的激励源，设计师面临的挑战是测量输出信号并处理可能产生的问题。例如，布线电阻和噪声的拾取是与基于传感器的应用相关的最大问题之一。有多种测量技术可供使用，以从测量系统中获得最佳性能。主要选择包括比率式与非比率式的操作，以及2线与3线、4线Kelvin测量连接方式。

激励技术

有源换能器可以使用受控电流或电压进行激励。电压和电流激励之间的选择通常由设计者决定。在数据采集系统中，常见的是使用恒压激励来驱动应变和压力传感器，而使用恒流激励来驱动电阻式传感器，如RTD或热敏电阻。在杂的工业环境中电流激励通常更可取，因为它具有更好的抗噪声能力。

交流或直流激励源可以用于传感器应用中;每种都有其优点和缺点。直流激励的优点包括简单的实现和低成本。直流激励的缺点包括难以将实际信号与由于偏移和寄生热电偶效应引起的非期望直流误差区分开来。直流偏移不是固定的;它们因温度漂移和热噪声和1/f噪声源而变化。

虽然交流激励技术实施成本较高，但它们提供了许多性能优势。交流激励与精密放大器中使用的斩波方案类似; 在传感器信号调节电路中，它被有效地用于消除偏移误差、平均1/f噪声和消除寄生热电偶的影响。由于对1/f噪声的敏感性降低，可以使用更低的激励电流或电压产生可识别的输出信号。降低的激励意味着电阻式传感器中电流流动的自热效应可以大大减少。由于涉及的带宽相对较窄，与直流激励相比，交流激励也可能对射频干扰具有更大的抗扰性能。

在选择能够提高整体系统性能的激励源时，有两个主要因素需要考虑。第一，分辨率: 激励的大小应该足够大，使得被测量的变量产生的最小变化能够产生足够大的输出信号，以克服系统中的噪声和偏移。第二，功率水平:如果传感器是电阻性的，设计者必须确保激励电流通过传感器产生的自加热效应不会对测量结果产生不利影响。

比率式与非比率式测量

下图所示的桥式传感器应用是比率式配置。传感器激励和A/D转换器都使用相同的参考源。激励的给定百分比变化与转换过程中的相同百分比变化相抵消(或反之)。ADC输出代码Dout是转换器输入AIN与其参考VREF之比的数字化表示。由于转换器的输入和参考来自相同的激励源，因此激励的变化不会引入测量误差。因此，在比例配置中，如果传感器测量的变量保持不变，来自ADC的数字量对电桥激励的变化具有更好的抗扰性能。

由于这个原因，所以实现精确的测量，一个精确稳定的参考在比率式测量中是不是那么必要的。比率操作是非常强大的，它允许测量和控制，使用系统的模拟电源，以获得独立于电压参考或激励电源的稳定性的准确性。由于大多数ADC的电源抑制相当高，电源电压的漂移不会不利地影响测量。

下图展示了直流非比例式的缺点。它显示了桥式传感器应用中典型的非比例运算配置。与前一个应用一样，ADC输出数字代码Dout，即AIN与VREF的比值。在这个例子中，输出代码对桥式激励与参考电压之间的相对变化敏感。激励电压的任何变化都会导致ADC看到的模拟输入电压的变化。由于参考与激励独立，数字输出代码将反映变化的激励。非比率电路主要适用于需要相对于绝对参考进行测量的应用，或者当单个转换器服务于各种不相关的模拟输入时。由于参考、激励等的改变不会被消除，但会在测量中反映出来，因此，对于大多数应用，需要高精度、精确和稳定的参考和激励源。

在设计高分辨率数据采集系统时，设计人员应始终牢记比例运算的成本效益，只要其使用是可行的。

线阻的影响

在温度测量应用中，当连接电阻式传感器(如RTD和热敏电阻)时，可以使用多种布线配置。基本的双线、三线和四线连接如图4所示。为什么这些格式存在，尽管它们具有各种复杂性和成本?如果不采取适当的预防措施来消除它们，引线电阻可能会引入显著的测量误差，特别是在低电阻PT100 RTD应用中：在PT100电路中，通过传感器传递受控(通常是恒定的)电流，该电阻器的电阻值会随着温度的升高而逐渐增加，且增加方式是可重复的，且近似线性。随着电阻的增加，电压降增加，尽管很小，但可以毫不费力地测量。

在理想的应用中，测量的电压应该只包括传感器本身的电阻增加。然而，在实际应用中，尤其是在二线配置中，测量点处传感器端子之间的实际电阻包括传感器和引线电阻。如果引线电阻保持不变，则不会影响温度测量。但是，线电阻确实随温度变化而变化；随着环境条件的变化，线电阻也会变化，从而引入误差。如果传感器是远程的，并且导线很长，那么在RTD应用中，这个误差源将是显著的，因为标称传感器值将是100Ω或1 kΩ，增量变化通常为0.4%/℃。热敏电阻应用中的标称传感器电阻值高于RTD，因此对引线电阻的敏感性较低，因为引线产生的误差较小。

上图所示的2线配置是上述三种系统中最不准确的，因为引线电阻2*RL及其随温度的变化会显著增加测量误差。例如，如果每根线的引线电阻为0.5Ω，则2*RL会增加1Ω的电阻测量误差。使用100Ω的RTD，a=0.385/℃，电阻的初始误差为1Ω/(0.385Ω/°C) = 2.6°C，引线电阻随环境温度的变化会进一步增加误差。

三线配置与二线配置相比有显著改进，因为它消除了一个电流载流导线。如果返回V(+)的测量导线进入一个高阻抗节点，则此导线中不会流过电流，从而不会引入引线误差。然而，返回V(-)和I(-)的RTD导线的引线电阻和热特性仍会引入误差，因此误差已减少到二线系统误差的一半（实际上现有常见的三线制基本可以完全抵消线阻带来的误差，亚德诺的这个图由于没有额外的电流源，所以没有完全抵消）。

与2线和3线配置相比，4线配置在准确性和简单性方面提供了最佳性能。在这个应用中，通过直接在RTD上测量温度来消除引线电阻和自热效应引起的误差。RTD的返回线通常由高阻抗电路(放大器/模数转换器)缓冲，因此在返回线上没有电流流动，也不会引入误差。

如果有两个匹配的电流源，就有可能设计出基本上消除任何布线电阻或热效应的3线制系统。使用AD7711转换器的示例如图5所示。激励由来自上部200uA电流源的电流提供，流经连接线的电阻RL1。下部电流源提供流经另一测量线的电流，具有电阻RL2，产生基本上等于且与RL1上的压降相反的电压降，当进行差分测量时，可以抵消它。两个电流的总和通过返回线(RL3)无害地流向接地(差分测量忽略共模电压)。200uA的电流流经串联的12.5kΩ电阻器，产生一个用作转换器参考的电压，提供比例式测量。

AD7711是一种高分辨率的sigma-delta ADC，它将来自RTD的电压转换为数字量信号。AD7711是此应用中的理想转换器选择;它提供24位分辨率、一个片上可编程增益放大器以及一对匹配的RTD激励电流源。正如示例所示，无需额外的信号调理元件即可构建完整的解决方案。

交流激励

下图显示了与桥式传感器应用中直流激励和测量相关的一些系统误差源。在这个桥式电路中，无法区分放大器的直流和低频)输出有多少实际上来自桥式电路，有多少是由于误差信号引起的。除非使用某种方法来区分这些误差源的实际信号，否则由1/f噪声、寄生热电偶和放大器偏移引入的误差是无法处理的。交流激励是解决这个问题的良好方法。

桥式换能器发出的信号通常很小，这取决于激励。如果激励为5V，电桥敏度为3 mV/V，则最大输出信号为15 mV。这些低电平信号提供的信息的退化源包括噪声(热噪声和1/f)、寄生热电偶的电压和放大器偏移误差。例如，寄生热电偶存在于正常电路布线中。如果电路中存在热梯度，锡铅焊料和印制电路板迹线之间的连接会产生3到4uV/℃的热效应。在电路板的铜迹线和放大器的可伐管脚之间也会存在热电偶结，产生电压误差高达35uV/°C。在高分辨率数据采集系统中，这些热电偶误差，连同放大器偏移误差和系统中的噪声，都将导致显著的直流和低频误差，

交流激励是将这些误差从信号中分离出来的一种强有力的方法。通过使用方波交流励磁，与极性的激励信号之间的测量，感应直流误差可以有效地取消。这种斩波方案还具有去除1/f噪声的效果，在这些应用中，1/f噪音在低频(直流到几赫兹)下占主导地位。

上图展示了如何配置电桥用于交流激励。在交替循环中，用晶体管Q1到Q4来执行开关，使对桥的激励电压的极性反转。所有直流和低频误差都被合并为EOS。在第1阶段，Q1和 Q4导通，而 Q2和 Q3 关闭；输出 VOUT由(V+EOS)给出。在第2阶段，Q2和Q3处于开启状态，而Q1和Q4处于关闭状态，输出Vout由(-VA+Eos)表示。实际输出是两个阶段的差值，给出Vout=2*VA。交流励磁的控制信号必须是互不重叠的时钟信号。该方案消除了与直流励磁相关的误差，但设计更为复杂。

下图显示了一个使用AD7730桥式传感器ADC的桥式传感器应用该应用包括片上所有必要的电路，以实现交流激励并在激励切换后产生计算输出结果。

AD7730 Σ-Δ ADC 是一个完整的模拟前端，适用于称重和压力测量应用。它从单一的 +5V 电源供电，直接接受来自传感器的低电平信号并输出一个串行数字量。输入信号被应用于基于模拟调制器的专有可编程增益前端。一个带可调滤波截止、输出速率和稳定时间的可编程低通数字滤波器处理调制器输出。有两个带缓冲器的差分可编程增益模拟输入，以及一个差分参考输入。它接受四个单极和双极模拟输入范围，从10 mV到80 mV满量程。

晶体管Q1到Q4执行激励电压的切换。这些晶体管可以是离散匹配的三极管或MOS管，或者可以使用像Micrel的4427这样的专用桥式驱动器芯片来完成这项任务。

由于模拟输入电压和参考电压在交替周期中是反向的，因此AD7730必须与这些激励电压的反向同步。为了同步切换，它提供逻辑控制信号来切换激励电压。这些信号是非重叠的CMOS输出，ACX和/ACX。交流激励的一个问题是开关后模拟输入信号的稳定时间，特别是在从桥接到AD7730的引线很长的应用中转换器可能会产生错误数据，因为它处理的信号尚未完全稳定。因此，用户可以在ACX信号切换和模拟输入数据处理之间编程最多48.75微秒的延迟。AD7730还根据输出更新率缩放ACX开关频率。这样可以避免以比系统要求更快的速度切换桥接器。

AD7730能够处理与激励电压相同的参考电压，这在交流激励中特别有用，因为参考输入上的电阻分压器设置会增加与开关相关的稳定时间。

交流励磁可以有效地用于消除电阻式传感器在温度测量应用中的自热效应。在使用RTD测量温度时，激励电流本身(无论多幺小)都会产生I²R，即焦耳热，导致指示的温度略高于被测量的温度。自热程度在很大程度上取决于RTD浸没的介质。在静止空气中，RTD的自热程度远高于在流动的水中。

在常用的直流激励下，通过传感器的激励电流必须足够大，以便最小的温度变化导致的电压变化超过系统的噪声、偏移和漂移。克服这些误差所需的激励电流通常为1mA或更大。在RTD中消耗的功率会导致其温度升高，从而引入测量中的漂移误差这降低了系统的准确性。例如，使用1mA的直流激励源与具有0.05°C/mW自加热效应的1 kΩ RTD，将导致0.5°C的漂移误差。

由于交流激励源可以减少直流偏置和漂移效应，因此在许多应用中可以使用小得多的激励电流。因此，减小激励电流不仅减少了RTD的自热效应(通过减小电流)，还减少了上述相关的直流和低频输出误差。

上图显示了用于交流激发的RTD测量的AD7730高分辨率sigma-delta转换器。在此应用中，AD7730通过分压电源操作，即AVdd和DVdd处于不同的电位，AGND和DGND处于不同的电位。在这种配置下，AVdd或DVdd不能超过AGND 5.5V。因此，当使用士2.5V模拟电源操作时，DVdd必须限制为相对于数字地(即系统地)为+3V。

AD7730的ACX输出控制该应用中的电流反转，该输出是针对AVdd和AGND电源建立的。当ACX高时，100uA的电流沿一个方向流过RTD;当ACX低时，100ua的电流沿相反方向流过RTD。开关极性电流源是在标准电压-电流转换配置中使用操作放大器U1和U2实现的。AD7730配置为交流激励模式，在ACX输出端产生一个方波。在转换过程中，ADC取两个转换结果一个在ACX信号的每个相位上，并在ADC内将它们组合起来，产生一个表示测量温度的数据输出量。

例如，如果ACX信号第一阶段的RTD输出为10 mV，并且由于寄生热电偶存在1 mV电路的直流误差，ADC测量11 mV。在第二阶段，励磁电流反转，ADC测量RTD的-10mV，再次出现+1mV的直流错误，使得ADC在该阶段的输出为-9mV。这些测量在ADC内部进行处理(11mV-(-9mV)/2=10mV)，从而消除系统内部的直流误差。交流励磁允许在100uA附近的电流有效地用于RTD应用，大大减少自热效应。

由于如果斩波器工作在工频(50或60 Hz)，则线频拾取会产生偏移，因此建议在异步57 Hz(即滤波器零点处)操作斩波器。使用AD7730时，在单极0-20-mV范围内，刷新速率为57 Hz，可实现16位峰-峰值分辨率。在RTD应用中，使用AD7730的另一个重要优点是它对辐射电场和快速瞬变脉冲(EFT)的抗扰性。在嘈杂的环境中工作时，建议使用AD7730的斩波式。 AD7730内部使用的直升机稳定技术消除了偏移并最大限度地减少了偏移漂移。当AD7730以CHOP模式运行时，包括第一级滤波器的信号链被斩波。这降低了总体漂移性能，使其小于5 nV/℃。AD7730可以在存在电场(1V/m至3 V/m)的情况下运行，频率范围为30 MHz至1 GHz，整个频率范围内的偏移保持平坦。在没有斩波的情况下，在存在电场时，偏移性能会下降，并且随着频率而漂移。

总结

在设计高分辨率数据采集系统时，必须注意选择激励方法、传感器的激励源和将低电平模拟信号从传感器传送到A/D转换器的现场布线方案。

换能器可以用交流或直流电流或电压进行激励。直流激励比交流激励使用更广泛，因为使用直流激励的系统更容易实现和排除故障;但它们有一些缺点。传感器的激励幅度必须足够大，以便最小的测量变化导致超过系统噪声、偏移和漂移的电压变化。

如果预计会有大的直流误差和低频噪声，交流激励是有用的。激励源在交替的周期内被打开，然后测量并平均产生的振幅以获得转换结果。因此，交流激励消除了信号链中1/f噪声和直流偏置的寄生热电偶效应的影响。这使得可以大大减少激励，从而减少基于电阻的传感器中自热引起的误差。这些好处通常超过实施成本略高和必须确保在测量前充分稳定的一些缺点。

传感器的布线配置有多种选择，取决于所需的准确性，从2线到4线不等。四线配置通过消除导线电阻和布线中的热效应引起的误差，提供了最佳的准确性。系统可以配置为通用激励和参考(比率法)，或独立参考(非比率法)。比率法更受欢迎，因为它允许测量和控制，其准确性大于电压参考或激励电源的稳定性。测量对激励变化不敏感。所以在可能的情况下，高分辨率数据采集系统的最佳设计应使用四线配置，并利用比率操作和交流激励。

原文翻译自ADI技术文章，原文链接：

https://www.analog.com/cn/resources/analog-dialogue/articles/transducer-sensor-excitation-and-measurement-techniques.html