傳感器和放大器：傳感器信號放大器
每個傳感器有不同的輸出信號和范圍。輸出的信號可以是電壓、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放大級和濾波級作出改動。
傳感器的模擬信號必須經(jīng)過數(shù)字化才能供系統(tǒng)使用，并且信號要經(jīng)過放大、濾波和數(shù)字化。每一級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)一個應(yīng)用。一旦對信號做了數(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)。
大多數(shù)傳感器都輸出一個低電平的電流或電壓信號，因此一個簡單的電阻網(wǎng)絡(luò)就能將任何電流信號變?yōu)橐粋€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ADC來說信號必須足夠大，才能有效地讀出。大多數(shù)情況下，傳感器信號都需要放大。例如，一個典型的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)姆糯蟆Ｒ虼耍仨毧紤]到ADC的分辨率，以確保能將信號放大到能滿足所需粒度。
對于放大器還必須考慮另外一個重要規(guī)格：偏移電壓。偏移電壓是一個信號通過放大器時改變的電壓量。例如，如果將一個500 mV信號送給一個單位增益（即增益為1）的放大器，偏移電壓為10 mV，則得到的輸出就是510 mV。如果傳感器的輸出范圍為0至900 mV，而系統(tǒng)不需要非常精密的傳感器讀數(shù)，那么這個偏移就可以忽略不計(jì)。如果傳感器的范圍為450 mV至550 mV，這個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。可以用相關(guān)雙采樣方法來降低或消除偏移電壓。
對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)字信號通常就設(shè)定了PGA的增益。這個信號改變了內(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)情況下這個區(qū)間是可以接受。
傳感器和放大器：傳感器和放大器間的問題怎樣去解決
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傳感器和放大器：傳感器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)需要怎樣的放大器
描述
作為消費(fèi)、工業(yè)、科學(xué)和其他應(yīng)用的基本組成部分，運(yùn)算放大器是最廣泛應(yīng)用的電子元器件。對大多數(shù)低端應(yīng)用來說，設(shè)計(jì)要求明確，因而元件的選擇也相對容易。但在用于實(shí)現(xiàn)許多高端傳感器的輸入處理設(shè)計(jì)時，如何選擇最佳的精密運(yùn)算放大器卻存在一些挑戰(zhàn)。
在傳感器類型和（或）其使用環(huán)境帶來許多特別要求時，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩(wěn)定性和對數(shù)以千計(jì)讀數(shù)和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現(xiàn)性，運(yùn)算放大器的選擇就會變得特別困難。
在基于傳感器的復(fù)雜應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行多方面考慮，以便獲得規(guī)格與性能最佳組合的精密運(yùn)算放大器，同時還需要考慮成本。具體而言，斬波穩(wěn)定型運(yùn)算放大器（零漂移放大器）非常適用于要求超低失調(diào)電壓以及零漂移的應(yīng)用。斬波運(yùn)算放大器通過持續(xù)運(yùn)行在芯片上實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)機(jī)制來達(dá)到高DC精度。
雖然沒有普遍公式可供遵循，但下面的如何選擇運(yùn)算放大器的例子可幫助實(shí)現(xiàn)重要的應(yīng)用目標(biāo)。
衡器和壓力傳感器
衡器和壓力檢測應(yīng)用通常使用非常靈敏的模擬前端傳感器，如應(yīng)變計(jì)，這些傳感器可提供非常精確的測量結(jié)果，但輸出信號非常微弱。對于高精度衡器應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可能使用橋式傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中運(yùn)算器與用于提供共模提取和10PPM~20PPM精度的選定增益電阻器配對使用。這種先進(jìn)的“自主”設(shè)計(jì)對運(yùn)算放大器性能具有嚴(yán)格的要求，以便從相對較大的輸入提取非常弱小的信號。
為了成功地放大這些弱小信號，運(yùn)算放大器必須具有超低輸入失調(diào)電壓和最小失調(diào)溫度漂移，并具有寬增益帶寬和軌到軌輸入/輸出擺幅（當(dāng)然，小輸入信號不需要軌到軌輸入擺幅）。同樣重要的還有運(yùn)算放大器需要在接近DC狀態(tài)（如0.1Hz~10Hz）時具有非常穩(wěn)定的超低頻噪聲特征對于高精密衡器橋式網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)尋找具有極低輸出失調(diào)電壓和低噪聲（1/f-1mHz）的單個零漂移運(yùn)算放大器。
如圖1所示，一個很好的例子是斬波零漂移ISL運(yùn)算放大器，其可在0.1Hz到10Hz頻率范圍內(nèi)提供卓越噪聲電壓（nV），從而對DC電平提供幾乎平坦的噪聲頻帶。因其內(nèi)部穩(wěn)定的斬波設(shè)計(jì)，ISLL技術(shù)規(guī)格實(shí)際包括10 PPM的最大噪聲增益（七西格瑪）來提供針對高增益應(yīng)用的最優(yōu)性能，同時最小化噪聲增益誤差。
傳感器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)需要的精密運(yùn)算放大器選擇方法淺析圖1 ISL： 0.1Hz 到 10Hz 峰-峰噪聲電壓對于便捷式衡器應(yīng)用，低功耗也是一個需要重要考慮的因素。設(shè)計(jì)人員可考慮采用ISL，這款放大器基于斬波穩(wěn)定設(shè)計(jì)，綜合了低微功耗（最大25？A）和低失調(diào)電壓（最大6？V）的特征，它可具有直流電平平坦噪聲頻帶以及近于零漂移的特點(diǎn)。對于其他需要使用更高基準(zhǔn)電壓（如10V而非5V）的應(yīng)變計(jì)應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以考慮ISL或ISL。
電流檢測和控制應(yīng)用
根據(jù)具體要求的不同，檢測電流強(qiáng)度的方法很多。其中包括使用電阻器的分路傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器以及電流互感器。在本例中，我們將考察應(yīng)用于分路傳感器的運(yùn)算放大器的要求。現(xiàn)今的分路傳感器技術(shù)已發(fā)展到具有高精度，并可提供低成本優(yōu)勢的特點(diǎn)，并且適用范圍廣。
基本而言，分路傳感器技術(shù)是將一個電阻器置于被測量電源的線路中。因?yàn)殡娮鑹航禃绊懝πВ酝ǔＰ枰褂帽M可能小的電阻值。而這就意味在電流檢測應(yīng)用中，必須放大相對較小的電阻差分功率。
因此，運(yùn)算放大器電路必須提供高共模范圍和高精度。低功耗也是一個重要要求，特別是對電池應(yīng)用的傳感器。嵌入式電流檢測電路也需要相對便宜，以便不顯著增加被監(jiān)測產(chǎn)品的物料成本。
此外，對許多工業(yè)、公用事業(yè)和通信電流的檢測應(yīng)用，運(yùn)算放大器需要在極端溫度或長期使用條件下的漂移最小。例如，部署在電線桿頂?shù)碾娏鱾鞲衅饔捎诒┞对谙鄬毫拥沫h(huán)境變化中，所以需要提供長期的穩(wěn)定性能而不產(chǎn)生昂貴的維護(hù)要求。
許多基于分路器的電流檢測應(yīng)用都采用了運(yùn)算放大器，例如以最小封裝尺寸提供低功耗與高精度的基于斬波的零漂移放大器——ISL或ISL。此外，如圖2所示，這些斬波穩(wěn)定型CMOS器件在極端溫度和長期使用條件下提供卓越的低漂移特征。
傳感器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)需要的精密運(yùn)算放大器選擇方法淺析圖2 將失調(diào)電壓在溫度和時間上的漂移將到最小化，ISL是一款單一斬波穩(wěn)定型運(yùn)算放大器，而
ISL是同一款放大器的雙器件。
電流檢測是早已用于許多行業(yè)領(lǐng)域（如消費(fèi)、工業(yè)、通信和公用事業(yè)等）的最普遍應(yīng)用之一，隨著新型電子器件的大量增加和人們對“綠色”電源管理技術(shù)的日益重視，其重要性日益提高。上文描述的斬波穩(wěn)定型精密運(yùn)算放大器提供極低失調(diào)電壓和失調(diào)偏移、軌到軌輸入和輸出以及低功耗，可滿足日益增加的嵌入式電流檢測的應(yīng)用需求。
手持式有毒環(huán)境安全監(jiān)測儀
最后一個應(yīng)用例子是將大量不同傳感器輸入集中在一個設(shè)備中，該設(shè)計(jì)表明良好設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器有助于處理緊湊型便攜設(shè)備上的多傳感器信號鏈。用于監(jiān)測危險(xiǎn)環(huán)境的手持式設(shè)備越來越多地采用傳感器以便最小化尺寸和最大化功能。此類設(shè)備可能包含可燃?xì)怏w傳感器、氧傳感器和催化加熱帶傳感器。
如圖3中的框圖所示，使用多個超低功耗運(yùn)算放大器（如ISL）具備針對小型手持式設(shè)備中多傳感器信號鏈的優(yōu)勢。
傳感器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)需要的精密運(yùn)算放大器選擇方法淺析圖3 多傳感器手持有毒環(huán)境安全檢測儀因?yàn)檫@些安全設(shè)備通常需要以全天候模式工作，所以ISL超低微功耗特征（最大450nA和 2nA［空閑時］）支持更長的電池壽命而不損害性能。ISL設(shè)計(jì)為在單電源（1.8V-5.5V）模式下工作，所以適用于由兩節(jié)1.5V堿性電池供電的手持設(shè)備。此外，因?yàn)槎鄠€ISL信號鏈可作為單個ADC（ISL）的信號源，所以可以最小化整體系統(tǒng)級電路的復(fù)雜性和部件數(shù)量。
由于可燃?xì)怏w傳感器、氧傳感器和熱傳感器的建立時間通常長達(dá)10秒，所以運(yùn)算放大器的帶寬并不很重要，但它們需要傳感器具有恒定的偏置。另外，和前面所舉的例子一樣，傳感器的輸出大多為非常弱小的信號，所以運(yùn)算放大器必須在大增益步長上提供峰-峰噪聲平坦度和漂移特征。
擴(kuò)大運(yùn)算放大器的選擇范圍
作為應(yīng)用最廣泛的電子元件之一，運(yùn)算放大器的使用還會繼續(xù)增加。隨著提供模擬傳感器功能的設(shè)備越來—從本文所舉的例子到大量使用運(yùn)動、近程、光和其他傳感器的工業(yè)及消費(fèi)設(shè)備，運(yùn)算放大器的使用正在以指數(shù)規(guī)律增加。
像任何良好設(shè)計(jì)的規(guī)范一樣，首要標(biāo)準(zhǔn)始終必須是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性和性能目標(biāo)。所以在高增益場合中，低噪聲、低漂移和精密性將始終是成功的重要因素。幸運(yùn)的是，現(xiàn)今可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇的精密運(yùn)算放大器更加廣泛，使他們能夠有效地滿足最嚴(yán)格的性能和準(zhǔn)確性要求，并在耗電量、尺寸、部件數(shù)量和整體成本間取得平衡。
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傳感器和放大器：力傳感器和放大器有什么關(guān)系,為什么你需要給傳感器配放大器
什么是應(yīng)變信號放大器，為什么我需要放大信號呢？
首先，我們的測力傳感器基本上都是mV/V輸出，比如傳感器輸出是0-2mV/V，然后激勵電壓5V，那么最后傳感器輸出范圍就是0-10mV，假如我們采用16位的采集卡，輸入量程0-10V，那理論上最小可以分辨0.15mV，按照力傳感器輸出0-10mV來計(jì)算，可以測量出的精度還不足1%，這肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我們的要求，所以，我們必須采用放大器將信號先進(jìn)行放大到0-10V，才能和我們的數(shù)據(jù)采集卡/PLC匹配。
信號調(diào)理是一個數(shù)據(jù)采集的過程，信號調(diào)理器是用來執(zhí)行這個過程的儀器。將一種電或機(jī)械信號（輸入信號）轉(zhuǎn)換為另一種（輸出信號）。其目的是將這個信號放大并轉(zhuǎn)換成易于識別并兼容數(shù)據(jù)采集或機(jī)器控制的形式。
信號調(diào)理器有助于提供測量的準(zhǔn)確度，這對于高精度數(shù)據(jù)采集和機(jī)器控制是必不可少的。并可以執(zhí)行更多的不同功能，本文將概述新的趨勢。
信號調(diào)理器的功能
1.信號轉(zhuǎn)換
信號調(diào)理器的主要功能是接收信號并將其轉(zhuǎn)換成更高電平的電信號。信號轉(zhuǎn)換通常用于使用多種傳感器進(jìn)行測量的工業(yè)應(yīng)用。由于使用的傳感器不同，因此需要轉(zhuǎn)換為所連接設(shè)備能使用的信號，都需要能被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)過程信號。
2.線性化
當(dāng)傳感器產(chǎn)生的信號與物理量沒有線性關(guān)系時，某些信號調(diào)理器可以實(shí)現(xiàn)線性化。這是一個軟件解釋信號的過程，例如熱偶信號。由于每個傳感器都不可能是完全線性的，所以這種方法可以用來實(shí)現(xiàn)更高精度。在傳感器標(biāo)定以過程及校準(zhǔn)協(xié)議中，需要對線性化參數(shù)進(jìn)行評估。
3.放大
下一步是信號放大和處理或數(shù)字化信號的過程。信號放大的方法有兩種：增加輸入信號的分辨率，或者提高信噪比。
信號調(diào)理采用不同目的多種不同放大器，為提高精度，最好使用直流信號，具有高輸入阻抗、高共模抑制比（CMRR），高增益等特性。另外就是采用隔離放大器，一般是在通過小的交流或差分信號時，采用設(shè)備的隔離高直流電平。
4.濾波
信號調(diào)理器的另一個重要功能是濾波，其對信號頻譜進(jìn)行濾波，只保留有效數(shù)據(jù)并防止噪聲。濾波可以采用無源和有源部件或是數(shù)字算法。無源濾波只使用電容、電阻和電感器，其最大增益為1。有源濾波除了運(yùn)算放大器和晶體管等有源元件外，還使用無源元件。最先進(jìn)的信號調(diào)理器采用數(shù)字濾波，因?yàn)樗鼈円子谡{(diào)整，且不需要硬件。數(shù)字濾波器是一種用來處理信號的數(shù)學(xué)濾波器，例如阻斷或通過特定的頻率。他們使用的邏輯元件包括ASIC、FPGAs或一個信號處理順序程序。
5.評估和智能功能
除了以上功能外，現(xiàn)代信號調(diào)理器還帶有信號評估和測量數(shù)據(jù)預(yù)處理等額外功能。這有助于通過電開關(guān)輸出快速監(jiān)視和評估并警報(bào)。額外的智能功能，如內(nèi)部計(jì)算通道帶有數(shù)學(xué)處理功能，PID控制器等。這些功能有助于獲得快速反應(yīng)系統(tǒng)，減少機(jī)器控制負(fù)荷。
6.接口
信號轉(zhuǎn)換器必須通過標(biāo)準(zhǔn)接口和協(xié)議來傳輸傳感器信號和機(jī)器控制。這些接口可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。常見的模擬接口包括電壓（±10V）或電流信號（4-20mA），但每一個信號都需要單獨(dú)布線。現(xiàn)代數(shù)字接口被設(shè)計(jì)為基于總線的以太網(wǎng)接口（PROFINET，Ethercat，以太網(wǎng)/IP），通過一根線就可以連接多個部件。這不僅減少了布線，還可以傳輸額外的信息，如組件的診斷信息等。這對于減少宕機(jī)時間和快速維護(hù)非常重要。
7.俊德科技信號調(diào)理器
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