中心議題：

• 傳感器的信號(hào)傳輸路徑

解決方案：

• 傳感器的信號(hào)放大
• 線路中優(yōu)先對(duì)噪聲的處理　　

傳感器越來越多地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。雖然長期以來工業(yè)產(chǎn)品一直將其用于制造控制系統(tǒng)，但消費(fèi)設(shè)備現(xiàn)在也開始采用傳感器。制造商們正在消費(fèi)產(chǎn)品中集成傳感器，以創(chuàng)造出更好的用戶體驗(yàn)，如在手機(jī)中增加加速度計(jì)，以及在微波爐中加入蒸汽傳感器等。以前僅在數(shù)字域中工作的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，自己必須要與模擬傳感器打交道了。


圖1，一只傳感器的模擬信號(hào)路徑可以分為幾級(jí)：放大、濾波和數(shù)字化。
　　
傳感器的模擬信號(hào)必須經(jīng)過數(shù)字化才能供系統(tǒng)使用，并且信號(hào)要經(jīng)過放大、濾波和數(shù)字化（圖1）。每一級(jí)通常都涉及一只圍繞著一些無源元件的器件，以正確地實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用。一旦對(duì)信號(hào)做了數(shù)字化，就可以將其送給微處理器上的控制系統(tǒng)，或整理數(shù)據(jù)后通過一個(gè)通信協(xié)議送至一只主處理器。協(xié)議可以根據(jù)需要使用傳感器數(shù)據(jù)。

每個(gè)傳感器有不同的輸出信號(hào)和范圍。輸出的信號(hào)可以是電壓、電流、電阻、電容或頻率，但幾乎不存在什么標(biāo)準(zhǔn)，只有專用的工業(yè)系統(tǒng)在使用它們。即使同一制造商的類似傳感器也可以有不同的輸出，而這些差異會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來一些麻煩。設(shè)計(jì)者選擇傳感器時(shí)必須滿足系統(tǒng)的需求。然而，如果在設(shè)計(jì)期間這種需求出現(xiàn)變化，則傳感器也要做出修改。另外，一款輸出略有不同的新傳感器必須對(duì)放大級(jí)和濾波級(jí)作出改動(dòng)。

大多數(shù)傳感器都輸出一個(gè)低電平的電流或電壓信號(hào)，因此一個(gè)簡單的電阻網(wǎng)絡(luò)就能將任何電流信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)電壓。本文簡單描述了一些概念和元件選擇過程。

幅度
　　
一只傳感器的輸出可以低至數(shù)毫伏，也可以高達(dá)數(shù)伏特。為做到正確的數(shù)字化，對(duì)ADC來說信號(hào)必須足夠大，才能有效地讀出。大多數(shù)情況下，傳感器信號(hào)都需要放大。例如，一個(gè)典型的K型熱電偶輸出為41μV/°C，如果你的設(shè)計(jì)需要1°C的粒度，就需要做相當(dāng)?shù)姆糯?。因此，必須考慮到ADC的分辨率，以確保能將信號(hào)放大到能滿足所需粒度。

對(duì)放大器的選擇主要取決于需要的類型，例如是儀表放大器、差分放大器、運(yùn)算放大器，還是PGA（可編程增益放大器）。另外還必須確定放大器需要的增益大小。放大器周圍的電阻網(wǎng)絡(luò)（帶反饋）決定了放大器的增益。理想情況下，標(biāo)準(zhǔn)放大器的最大增益是無限的。給器件的數(shù)字信號(hào)通常就設(shè)定了PGA的增益。這個(gè)信號(hào)改變了內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)。一只PGA的最大可能增益為傳統(tǒng)放大器的千分之一至二分之一，但大多數(shù)情況下這個(gè)區(qū)間是可以接受的。

對(duì)于放大器還必須考慮另外一個(gè)重要規(guī)格：偏移電壓。偏移電壓是一個(gè)信號(hào)通過放大器時(shí)改變的電壓量。例如，如果將一個(gè)500mV信號(hào)送給一個(gè)單位增益（即增益為1）的放大器，偏移電壓為10mV，則得到的輸出就是510mV。如果傳感器的輸出范圍為0至900mV，而系統(tǒng)不需要非常精密的傳感器讀數(shù)，那么這個(gè)偏移就可以忽略不計(jì)。如果傳感器的范圍為450mV至550mV，這個(gè)偏移可能就不可接受了。偏移電壓越小，放大器就越貴。所有放大器都有偏移，但你需要知道系統(tǒng)是否能容忍它?？梢杂孟嚓P(guān)雙采樣方法來降低或消除偏移電壓。

濾波
　　
所有系統(tǒng)都會(huì)在傳感器信號(hào)上疊加一些噪聲。噪聲來源有各個(gè)方面，包括電路板布局、射頻、熱元件，甚至傳感器自身。信號(hào)噪聲會(huì)使ADC的讀數(shù)不精確和不穩(wěn)定，噪聲電平在放大器中會(huì)得到增強(qiáng)，因?yàn)榉糯笃髂芊糯笮盘?hào)中的誤差。信號(hào)噪聲可以分為低頻、高頻或某個(gè)已知頻率。通常最需要解決的是高頻噪聲問題。　


圖2，傳感器的信號(hào)路徑中包括放大器、濾波器和ADC。濾波器的設(shè)計(jì)用于去除信號(hào)中的噪聲，限制帶寬。
　　
用無源模擬濾波器、濾波器IC和數(shù)字濾波器都可以濾除噪聲（圖2）。最常見的方法是無源濾波，這要用電阻、電容和電感建立一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)。不過，你必須設(shè)計(jì)無源的濾波器，并且無法簡單地改變它們。濾波器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度可能與你所需濾波器等級(jí)一樣大；一個(gè)一階Chebyshev濾波器的設(shè)計(jì)工作量要比一個(gè)八階Bessel濾波器小得多。因此你應(yīng)確定需要的濾波器階數(shù)，然后再選擇自己采用的濾波方法。

某些IC允許你用數(shù)字編程方法，確定需要的濾波器類型。這些IC用內(nèi)部的模擬電路建立濾波器，并可能有與之相關(guān)的偏移電壓。它們也可以讓你將濾波步驟移到ADC量化的后面。數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)可以很復(fù)雜，但有很多能幫助做出高階濾波器的簡便設(shè)計(jì)。數(shù)字濾波是去除噪聲的一個(gè)理想方式，但是，它通常需要很多CPU周期，增加了功耗。系統(tǒng)通常會(huì)引起高頻噪聲，因此需要采用低通濾波器。這種濾波器可衰減高于所設(shè)定截止頻率的信號(hào)部分。有些傳感器信號(hào)要求采用相互串聯(lián)的多種類型濾波器。大多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)表中都指定了一個(gè)基本的接口電路，但并未提及所需要的濾波形式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須在徹底了解需要的濾波形式以后，再建立系統(tǒng)。