傳感器數據采集是許多深度嵌入式應用的基礎，并在不斷發展的物聯網（IoT）中發揮著核心作用。隨著依賴能量收集的趨勢，基于傳感器的設計需要越來越有效的解決方案來有效和準確地處理傳感器信號。在可用的替代產品中，專用的傳感器信號調理IC（如ADI公司，Maxim Integrated公司和德州儀器公司的產品）為傳感器信號采集提供了直觀的解決方案。

傳感器通常會產生需要放大的小信號以提升動態信號信號范圍，以及補償，以校正傳感器本身的偏移，溫度和非線性響應（圖1）。為了應對這些挑戰，設計人員可以采用各種數字和模擬方法。

圖1：集成傳感器信號調理器IC將模擬信號路徑與數字控制功能相結合，使用專用數字 - 模擬轉換器（DAC），支持傳感器設計所需的激勵，補償和線性化（由Maxim Integrated提供）。

傳感器信號處理

數字信號處理（DSP）方法為傳感器數據采集提供了高度靈活的選擇。采用基于DSP的方法，放大，補償和校正都是在通過模數轉換器（ADC）進行信號轉換后在數字域中嚴格發生的。然而，通過這種方法，信號保持在有限的動態范圍內，需要更昂貴，更高分辨率的ADC來實現所需的精度水平。此外，DSP方法將設計復雜性轉移到數字系統，導致更高的內存要求和更高的軟件復雜性，而物聯網可以輕松支持許多深度嵌入式應用。相比之下，在模擬域中執行的信號調節實現了傳感器校準和溫度補償不會產生與量化信號的數字處理相關的誤差。然而，隨著傳感器復雜性的增加和更高的應用要求，分立式解決方例如，更復雜的傳感器類型，例如橋式傳感器，要求放大器能夠放大差分輸入電壓并抑制共模輸入電壓。因此，使用這些類型傳感器的工程師需要格外小心，以確保使用匹配的電阻和放大器實際上，嚴格地在模擬域中實施信號調節傳統上呈現出其自身獨特的挑戰，因為工程師發現自己面臨尋找敏感信號鏈的最佳操作條件。通用集成模擬前端（AFE）IC的出現提供了一種更有效的解決方案，使設計人員能夠滿足各種模擬信號處理要求。傳感器信號調理器IC以此概念為基礎，其特性和功能專為滿足與基于傳感器的設計相關的獨特要求而設計。

傳感器信號調節器

專用傳感器信號調節器將模擬信號路徑與數字控制相結合偏移，增益，線性化和溫度補償的邏輯。憑借其完全模擬信號路徑，這些器件不會在輸出信號中引入量化噪聲。同時，通過集成DAC使用數字控制微調提供了熟悉的數字技術的靈活性和精確性。由于制造商將這種廣泛的功能集成到單個器件中，傳感器系統設計人員避免了傳統上與優化和調諧敏感模擬信號鏈相關的問題。

傳感器信號調理器IC通常集成了傳感器激勵電路，多路復用器，ADC，可編程增益放大器（PGA） ），溫度傳感器，控制邏輯和數字接口。對于線性化和溫度補償，此類設備根據從片上存儲器或外部EEPROM中保存的查找表中提取的值調整輸出。通過內置溫度補償和傳感器輸出線性化的完整信號鏈，這些器件為基于傳感器的設計提供了近乎可靠的解決方案。例如，德州儀器PGA309模擬信號調理器設計用于用于力傳感應用的橋式傳感器，集成了適應這些復雜傳感器所需的全套電路塊（圖2）。 PGA309包括一個用于傳感器激勵和線性化的專用電路塊。該模塊圍繞專用數模轉換器（DAC）構建，可對參考電壓進行調整，并將其與PGA309輸出的一部分相加，以補償許多傳感器在其施加的壓力范圍內呈現的正或負弓形非線性。

圖2：德州儀器（TI）PGA309專為橋式傳感器應用而設計，為橋式激勵，溫度補償和線性化提供專用功能（德州儀器公司提供）。

溫度補償，PGA309通過專用ADC數字化溫度，并使用轉換后的數據從外部EEPROM中的查找表中讀取數據。專用電路使用結果根據溫度變化時的校準值調整輸出。對于不需要溫度補償的應用，德州儀器PGA308提供了更低成本的選項，但沒有此功能，但包括與PGA309相同的功能。

PGA309圍繞精密，低漂移的前端PGA構建，沒有1/f噪聲，而輸入多路復用器可以切換輸入的極性，以適應未知極性輸出的傳感器。工程師可以在2.7到1152 V/V的寬范圍內調整前端PGA和輸出放大器的整體增益。

內置故障監控電路可以檢測傳感器和系統的故障，提供故障條件通過PGA309的內部報警狀態寄存器以數字形式。器件輸入端的四個比較器用于檢測橋式傳感器燒壞，并根據配置設置發出故障報警信號。此外，該器件還可以針對過大和欠量程條件發出警報。

與TI PGA309一樣，Maxim Integrated MAX1452旨在提供具有最少外部元件的完整解決方案。 MAX1452架構包括可編程傳感器激勵，16步PGA，768字節內部EEPROM，4個16位DAC，一個非專用運算放大器和一個片上溫度傳感器。

MAX1452溫度補償功能允許工程師選擇一到114個溫度點來補償傳感器。在這里，工程師可以設置多達114個獨立的16位EEPROM位置，以在-40°至+ 125°C的溫度范圍內以1.5°C的溫度增量校正溫度。這種方法使設計人員能夠靈活地通過簡單的一階線性校正補償傳感器或適應不尋常的溫度曲線。

雖然MAX1452不包含集成的非線性校正功能，但設計人員可以使用一個線性化橋式傳感器的輸出。簡單的外部電路，在應用電路中使用三個額外的電阻（圖3）。這里，來自OUT引腳的放大輸出電壓將激勵電壓調制到傳感器電橋。隨著傳感器輸出的輸出驅動OUT變高，橋上的激勵會略微增加以提供非線性校正。

圖3：使用MAX1452，設計人員可以將橋式傳感器輸出線性化增加三個電阻。這里，RF =18kΩ和RS =1.8kΩ的值被選擇用于4.7kΩ（標稱值）的橋電阻，而ROF確保電橋的差分輸出始終為正（由Maxim Integrated提供）。

設計師可以還可以找到專為傳感器應用而設計的傳感器調節器例如，ADI公司的1B31AN，1B41AN和1B51AN分別為應變儀，電阻溫度檢測器（RTD）和熱電偶提供集成解決方案。此外，ADI公司的AD693專為支持傳統過程控制應用而設計，采用標準的4至20 mA雙線電流回路。

在AD693中，儀表放大器可以縮放低電平輸入信號并驅動V/I轉換器，提供4至20 mA的環路電流。集成的電壓基準和電阻分壓器提供應用電壓，用于設置環路中所需的各種帶電零電流。此外，該器件還包括一個可用于傳感器激勵的片上輔助放大器。

ADI公司還提供AD598，它為用于感測的線性可變差動變壓器（LVDT）傳感器的信號調理提供集成解決方案。機械定位（圖4）。該器件僅需幾個額外的外部無源元件即可將原始LVDT輸出轉換為縮放的DC信號。 AD598的比例式架構消除了傳統LVDT接口方法的一些缺點，從而提高了溫度穩定性和傳感器互換性。 ADI公司提供與AD598相同的功能，可提供改善的增益誤差，失調誤差和失調漂移。

圖4：ADI公司AD598僅需幾個外部無源元件實現完整的基于LVDT的線性定位設計（由ADI公司提供）。

結論

對于采用能量采集方法的嵌入式設計，傳感器信號處理對于準確有效地提供傳感器數據提出了獨特的挑戰。在替代解決方案中，專用傳感器信號調理器IC提供與傳統模擬信號鏈相關的精確度的獨特組合以及數字方法可用的靈活性。通過為傳感器信號處理提供插入式解決方案，這些器件使工程師能夠實現能夠滿足傳感器數據采集最具挑戰性要求的設計。