作者：作者：Gene Heftman，特约编辑，《Electronic Design》
摘自：电子系统设计

信号调理通常包含在将来自物理传感器的模拟信号转换成数字信号的过程，所得到的数字信号可用于数据收集、过程控制、执行计算、产生显示读数等操作。模拟传感器可以测量温度、压力、力、流量、机械运动、位置、pH值(酸碱度)和光强度等多种物理量。由于传感器输出的电压、电流或电阻改变相对较小，通常在转换成数字数据之前必须经过调理，因此传感器信号不能直接转化成数字信号。
调理电路通过放大、缓存或调整模拟信号的幅度使其适合于模数转换器(ADC)的输入，然后由ADC将该信号数字化，并发送给微处理器或其它数字设备，进而在系统完成进一步的数据处理(见图1)。使这个信号链正常工作的关键是选择在测量中可与所用的各类传感器进行连接的运算放大器。设计者所选择的ADC必须可以处理来自输入网络的信号，并产生满足数据采集系统的分辨率、精度和采样速率等要求的数字输出。

A. 设计开始阶段：选择传感器
传感器可按被测物理量分成温度传感器(如热电偶、电阻温度检测器(RTD)和电热调节器)、压力或力传感器(如应变仪)、溶液酸碱度传感器(如pH电极)，以及光检测器(如用来测量光密度的PIN光敏二极管)。传感器可以进一步分成有源传感器和无源传感器。有源传感器需要外部激励源(电压源或电流源)，无源传感器自身可产生输出电压而无需外部激励。常用的有源传感器有RTD、电热调节器和应变仪等，常用的无源传感器有热电偶和PIN二极管等。为确定必须满足哪些指标才能与传感器连接，设计者必须考虑以下基本的传感器特性。
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                图1
信号源阻抗：
高信号源阻抗：高于100kΩ
低信号源阻抗：低于100Ω

输出信号电平：
高信号电平：满量程电平高于500mV
低信号电平：满量程电平低于100mV

动态范围：
指传感器产生的可测输出信号的范围。动态范围与所使用的传感器类型有关。

B. 放大器的作用
除提供直流信号增益外，放大器还对来自传感器的信号进行缓存和调整，然后将其发送到ADC进行模数转换。放大器有两个关键的作用，其一是按照传感器的特性向传感器提供合适的接口，其二是按照ADC所表现出的负载特性连接到ADC，这些特性包括放大器和ADC之间的接线距离、容性负载效应和ADC的输入阻抗。

在选择合适的与传感器连接的放大器时，设计者必须使传感器与放大器的特性相匹配。对于传感器-放大器组合的正常工作，放大器的某些特性比其它一些特性更为关键。因此，在选择放大器的类型时，有一些特性应优先考虑(见表1)。例如，pH电极是高阻抗传感器，应把放大器的输入偏置电流作为优先考虑的因素(表中标为优先级高)。对于这种pH传感器，一定不能让其输出信号产生可察觉的电流，因此应选择不要求高输入偏置电流的放大器。对于这个要求，高阻抗MOS输入放大器因输入偏置电流低而成为最佳选择。在这个应用中，增益带宽乘积(GBP)是一个次要因素(表中标为优先级低)，由于该传感器工作在低频段，这种放大器的频率响应不会阻止传感器信号波形的真实再现。
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                  表1

C. 与传感器相匹配
1. 高阻抗pH传感器可以与仅需两个1.5V电池供电的低功率放大器配合使用(见图2)。虽然该传感器的输出阻抗很高(可以达到1MΩ或更大)，但由于这种放大器带有多个MOS输入晶体管，仍可对该传感器表现出高阻抗。该放大器的输入偏置电流低于0.1pA(故汲取的工作电流很小)，偏置电压低于1mV。该放大器具有轨至轨操作能力和高驱动能力，可以将信号通过长线发送到相距很远的ADC。为了对pH值进行准确的温度补偿，可以在该电路中加入高精度温度传感器来测量pH传感器温度。
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                 图2
2. 应变仪等常用传感器的测量值可通过电桥网络得到，应变仪通常充当电桥的两个臂(或4个臂)。应变仪是信号源阻抗较低的器件，输出信号的幅度只有数百微伏到几毫伏。图3给出的电路不但为测量电桥提供了稳定的激励电压，而且共模电压抑制(CMR)能力强，可准确测量来自传感器的信号，并可消除所有共模电压。放大器A1由精度高且温漂极低的高精度参考电压驱动，其输出非常准确和稳定，在电路中充当电桥的激励源。
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                 图3
因为共模电压约为该激励电压的一半，测量结果等于电桥桥臂间的微小电压差。因而，要使输出结果准确地反映电压差，放大器A2、A3和A4必须具有高共模抑制比(CMRR)。另外，要保证从传感器得到准确的读数，这些器件的输入偏置电压(VOS)、 偏置电压温漂(也称为偏置电压温度系数，TCVOS)和输入偏置电流也必须很小。为实现这些目标，这里将放大器A1到A4连接起来充当仪表放大器。在这个配置中，电压增益(AV)等于(1+ 2R2/bR2)(aR1/R1)，其中，a和b为比例系数。

3. 通过辐射广谱学技术可测出辐射源发出的粒子、X线或伽玛线的辐射能量分布。放射线撞击交光晶体(scintillation crystal)激发出密度与射线能量成正比的短时光脉冲，通过PIN光电二极管可把这个光脉冲转化成电流。图4中的放大器既是PIN光电二极管输出的前置放大器也是电流-电压转换器。信号的脉冲幅度包含我们感兴趣的信息，所以，要求该放大器具有较低的输入偏置电压和偏置电压漂移。较大的带宽可以加快对该脉冲(可能只有几个纳秒)的响应速度。把前置放大器的输出(VOUT)设法连接到脉冲高度分析器(如高速ADC)，测量每个峰值的大小并记录发生的次数，所得到的分布就是这个特定辐射源的能量谱。反馈电阻R1的值依赖于PIN光电二极管发出的最大电流和输出到ADC的最大电压，即R1 = (Max VOUT)/(Max ISIGNAL)。电容C1用于补偿PIN光电二极管的寄生电容。R2 和C2分别等于C1和R1，用于补偿该放大器同相输入端的输入偏置电流。
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4. 热电偶产生的电压信号反映两种不同金属线之间的温差。热电偶温度传感器包含一个传感结(金属A和金属B直接连接)和一个参考结(把金属A和金属B用铜导体连接)。在获得热电偶信号的同时需要控制或测量冷参考结的温度。热电偶的信号范围很小，从约10μV/oC 到约80μV/oC，信号源阻抗较小。图5电路采用单放大器结构以差动输入方式将该信号放大到与ADC的输入相匹配的电平。该差动放大器的增益为AV = xR/R， x为电阻比，决定在放大器的反相和同相输入端之间所保持的增益。这种差动配置有助于抑制热电偶线捡取共模信号。该电路要求放大器具有低偏置电压和低偏置漂移。
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                           图5


D．最后阶段：模数转换
信号调理系统的最终目标是使模拟传感器数据尽可能快速、完整且以较低成本变成数字形式，这个任务需由ADC来完成。有许多参数影响ADC类型的选择，其中包括分辨率(比特数)、速度(数据的吞吐率)、输入信号的形式(交流或直流)、精度(直流和交流)、反应时间(采样周期开始与第一个有效数字输出之间的时间)和电源电平。输出端(即与微控制器或数字信号处理器的接口)的重要参数包括传输方式(串行或并行)、处理器接受输入信号的电平范围、可供使用的电源电压以及功耗。
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                   表2
多大数信号调理应用使用逐次逼近寄存器(SAR)或积分型ADC。两种类型都能很好地处理直流信号，但SAR结构的转换器可以更好地应付快速交变信号(见表2)。在各种ADC中，SAR转换器适应性最强，既可以提供高分辨率(最高到16位)，也可以提供高吞吐能力。积分式ADC因为所使用的转换方法耗时而转换时间较长，但由于具有信号平均作用，这种ADC在降低噪声方面有明显的优势。Δ-Σ转换器对中等频率的交变信号效果最好，分辨率和转换精度都很高。这种转换器的优点是分辨率高(最高到24位)，缺点是转换速度低(等待时间非常长)。另外还有管道化ADC和子区型(subranging)ADC可供选择，这两种ADC都是高速器件，非常适合用于转换高频交流信号。