传感器和放大器：传感器信号放大器

每个传感器有不同的输出信号和范围。输出的信号可以是电压、电流、电阻、电容或频率，但几乎不存在什么标准，只有专用的工业系统在使用它们。即使同一制造商的类似传感器也可以有不同的输出，而这些差异会给系统设计者带来一些麻烦。设计者选择传感器时必须满足系统的需求。然而，如果在设计期间这种需求出现变化，则传感器也要做出修改。另外，一款输出略有不同的新传感器必须对放大级和滤波级作出改动。
  传感器的模拟信号必须经过数字化才能供系统使用，并且信号要经过放大、滤波和数字化。每一级通常都涉及一只围绕着一些无源元件的器件，以正确地实现一个应用。一旦对信号做了数字化，就可以将其送给微处理器上的控制系统，或整理数据后通过一个通信协议送至一只主处理器。协议可以根据需要使用传感器数据。
　　大多数传感器都输出一个低电平的电流或电压信号，因此一个简单的电阻网络就能将任何电流信号变为一个电压。本文简单描述了一些概念和元件选择过程。
幅度
　　一只传感器的输出可以低至数毫伏，也可以高达数伏特。为做到正确的数字化，对ADC来说信号必须足够大，才能有效地读出。大多数情况下，传感器信号都需要放大。例如，一个典型的K型热电偶输出为41μV/°C，如果你的设计需要1°C的粒度，就需要做相当的放大。因此，必须考虑到ADC的分辨率，以确保能将信号放大到能满足所需粒度。
　　对于放大器还必须考虑另外一个重要规格：偏移电压。偏移电压是一个信号通过放大器时改变的电压量。例如，如果将一个500 mV信号送给一个单位增益（即增益为1）的放大器，偏移电压为10 mV，则得到的输出就是510 mV。如果传感器的输出范围为0至900 mV，而系统不需要非常精密的传感器读数，那么这个偏移就可以忽略不计。如果传感器的范围为450 mV至550 mV，这个偏移可能就不可接受了。偏移电压越小，放大器就越贵。所有放大器都有偏移，但你需要知道系统是否能容忍它。可以用相关双采样方法来降低或消除偏移电压。
  对放大器的选择主要取决于需要的类型，例如是仪表放大器、差分放大器、运算放大器，还是PGA（可编程增益放大器）。另外还必须确定放大器需要的增益大小。放大器周围的电阻网络（带反馈）决定了放大器的增益。理想情况下，标准放大器的最大增益是无限的。给器件的数字信号通常就设定了PGA的增益。这个信号改变了内部电阻网络。一只PGA的最大可能增益为传统放大器的千分之一至二分之一，但大多数情况下这个区间是可以接受。

传感器和放大器：传感器和放大器间的问题怎样去解决

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传感器和放大器：传感器实现目标需要怎样的放大器

描述
作为消费、工业、科学和其他应用的基本组成部分，运算放大器是最广泛应用的电子元器件。对大多数低端应用来说，设计要求明确，因而元件的选择也相对容易。但在用于实现许多高端传感器的输入处理设计时，如何选择最佳的精密运算放大器却存在一些挑战。
在传感器类型和（或）其使用环境带来许多特别要求时，例如超低功耗、低噪声、零漂移、轨到轨输入及输出、可靠的热稳定性和对数以千计读数和（或）在恶劣工作条件下提供一致性能的可再现性，运算放大器的选择就会变得特别困难。
在基于传感器的复杂应用中，设计者需要进行多方面考虑，以便获得规格与性能最佳组合的精密运算放大器，同时还需要考虑成本。具体而言，斩波稳定型运算放大器（零漂移放大器）非常适用于要求超低失调电压以及零漂移的应用。斩波运算放大器通过持续运行在芯片上实现的校准机制来达到高DC精度。
虽然没有普遍公式可供遵循，但下面的如何选择运算放大器的例子可帮助实现重要的应用目标。
衡器和压力传感器
衡器和压力检测应用通常使用非常灵敏的模拟前端传感器，如应变计，这些传感器可提供非常精确的测量结果，但输出信号非常微弱。对于高精度衡器应用，设计人员可能使用桥式传感器网络，其中运算器与用于提供共模提取和10PPM~20PPM精度的选定增益电阻器配对使用。这种先进的“自主”设计对运算放大器性能具有严格的要求，以便从相对较大的输入提取非常弱小的信号。
为了成功地放大这些弱小信号，运算放大器必须具有超低输入失调电压和最小失调温度漂移，并具有宽增益带宽和轨到轨输入/输出摆幅（当然，小输入信号不需要轨到轨输入摆幅）。同样重要的还有运算放大器需要在接近DC状态（如0.1Hz~10Hz）时具有非常稳定的超低频噪声特征对于高精密衡器桥式网络传感器应用，设计人员应当寻找具有极低输出失调电压和低噪声（1/f-1mHz）的单个零漂移运算放大器。
如图1所示，一个很好的例子是斩波零漂移ISL运算放大器，其可在0.1Hz到10Hz频率范围内提供卓越噪声电压（nV），从而对DC电平提供几乎平坦的噪声频带。因其内部稳定的斩波设计，ISLL技术规格实际包括10 PPM的最大噪声增益（七西格玛）来提供针对高增益应用的最优性能，同时最小化噪声增益误差。
传感器实现目标需要的精密运算放大器选择方法浅析图1 ISL： 0.1Hz 到 10Hz 峰-峰噪声电压对于便捷式衡器应用，低功耗也是一个需要重要考虑的因素。设计人员可考虑采用ISL，这款放大器基于斩波稳定设计，综合了低微功耗（最大25？A）和低失调电压（最大6？V）的特征，它可具有直流电平平坦噪声频带以及近于零漂移的特点。对于其他需要使用更高基准电压（如10V而非5V）的应变计应用，设计人员可以考虑ISL或ISL。
电流检测和控制应用
根据具体要求的不同，检测电流强度的方法很多。其中包括使用电阻器的分路传感器、霍尔效应传感器以及电流互感器。在本例中，我们将考察应用于分路传感器的运算放大器的要求。现今的分路传感器技术已发展到具有高精度，并可提供低成本优势的特点，并且适用范围广。
基本而言，分路传感器技术是将一个电阻器置于被测量电源的线路中。因为电阻压降会影响功效，所以通常需要使用尽可能小的电阻值。而这就意味在电流检测应用中，必须放大相对较小的电阻差分功率。
因此，运算放大器电路必须提供高共模范围和高精度。低功耗也是一个重要要求，特别是对电池应用的传感器。嵌入式电流检测电路也需要相对便宜，以便不显着增加被监测产品的物料成本。
此外，对许多工业、公用事业和通信电流的检测应用，运算放大器需要在极端温度或长期使用条件下的漂移最小。例如，部署在电线杆顶的电流传感器由于暴露在相对恶劣的环境变化中，所以需要提供长期的稳定性能而不产生昂贵的维护要求。
许多基于分路器的电流检测应用都采用了运算放大器，例如以最小封装尺寸提供低功耗与高精度的基于斩波的零漂移放大器——ISL或ISL。此外，如图2所示，这些斩波稳定型CMOS器件在极端温度和长期使用条件下提供卓越的低漂移特征。
传感器实现目标需要的精密运算放大器选择方法浅析图2 将失调电压在温度和时间上的漂移将到最小化，ISL是一款单一斩波稳定型运算放大器，而
ISL是同一款放大器的双器件。
电流检测是早已用于许多行业领域（如消费、工业、通信和公用事业等）的最普遍应用之一，随着新型电子器件的大量增加和人们对“绿色”电源管理技术的日益重视，其重要性日益提高。上文描述的斩波稳定型精密运算放大器提供极低失调电压和失调偏移、轨到轨输入和输出以及低功耗，可满足日益增加的嵌入式电流检测的应用需求。
手持式有毒环境安全监测仪
最后一个应用例子是将大量不同传感器输入集中在一个设备中，该设计表明良好设计的运算放大器有助于处理紧凑型便携设备上的多传感器信号链。用于监测危险环境的手持式设备越来越多地采用传感器以便最小化尺寸和最大化功能。此类设备可能包含可燃气体传感器、氧传感器和催化加热带传感器。
如图3中的框图所示，使用多个超低功耗运算放大器（如ISL）具备针对小型手持式设备中多传感器信号链的优势。
传感器实现目标需要的精密运算放大器选择方法浅析图3 多传感器手持有毒环境安全检测仪因为这些安全设备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［空闲时］）支持更长的电池寿命而不损害性能。ISL设计为在单电源（1.8V-5.5V）模式下工作，所以适用于由两节1.5V碱性电池供电的手持设备。此外，因为多个ISL信号链可作为单个ADC（ISL）的信号源，所以可以最小化整体系统级电路的复杂性和部件数量。
由于可燃气体传感器、氧传感器和热传感器的建立时间通常长达10秒，所以运算放大器的带宽并不很重要，但它们需要传感器具有恒定的偏置。另外，和前面所举的例子一样，传感器的输出大多为非常弱小的信号，所以运算放大器必须在大增益步长上提供峰-峰噪声平坦度和漂移特征。
扩大运算放大器的选择范围
作为应用最广泛的电子元件之一，运算放大器的使用还会继续增加。随着提供模拟传感器功能的设备越来—从本文所举的例子到大量使用运动、近程、光和其他传感器的工业及消费设备，运算放大器的使用正在以指数规律增加。
像任何良好设计的规范一样，首要标准始终必须是实现系统工作的准确性和性能目标。所以在高增益场合中，低噪声、低漂移和精密性将始终是成功的重要因素。幸运的是，现今可供系统设计人员选择的精密运算放大器更加广泛，使他们能够有效地满足最严格的性能和准确性要求，并在耗电量、尺寸、部件数量和整体成本间取得平衡。
责任编辑：ct
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传感器和放大器：力传感器和放大器有什么关系,为什么你需要给传感器配放大器

　　什么是应变信号放大器，为什么我需要放大信号呢？

　　首先，我们的测力传感器基本上都是mV/V输出，比如传感器输出是0-2mV/V，然后激励电压5V，那么最后传感器输出范围就是0-10mV，假如我们采用16位的采集卡，输入量程0-10V，那理论上最小可以分辨0.15mV，按照力传感器输出0-10mV来计算，可以测量出的精度还不足1%，这肯定远远达不到我们的要求，所以，我们必须采用放大器将信号先进行放大到0-10V，才能和我们的数据采集卡/PLC匹配。

　　信号调理是一个数据采集的过程，信号调理器是用来执行这个过程的仪器。将一种电或机械信号（输入信号）转换为另一种（输出信号）。其目的是将这个信号放大并转换成易于识别并兼容数据采集或机器控制的形式。

　　信号调理器有助于提供测量的准确度，这对于高精度数据采集和机器控制是必不可少的。并可以执行更多的不同功能，本文将概述新的趋势。

　　信号调理器的功能

　　1.信号转换

　　信号调理器的主要功能是接收信号并将其转换成更高电平的电信号。信号转换通常用于使用多种传感器进行测量的工业应用。由于使用的传感器不同，因此需要转换为所连接设备能使用的信号，都需要能被转换成标准过程信号。

　　2.线性化

　　当传感器产生的信号与物理量没有线性关系时，某些信号调理器可以实现线性化。这是一个软件解释信号的过程，例如热偶信号。由于每个传感器都不可能是完全线性的，所以这种方法可以用来实现更高精度。在传感器标定以过程及校准协议中，需要对线性化参数进行评估。

　　3.放大

　　下一步是信号放大和处理或数字化信号的过程。信号放大的方法有两种：增加输入信号的分辨率，或者提高信噪比。

　　信号调理采用不同目的多种不同放大器，为提高精度，最好使用直流信号，具有高输入阻抗、高共模抑制比（CMRR），高增益等特性。另外就是采用隔离放大器，一般是在通过小的交流或差分信号时，采用设备的隔离高直流电平。

　　4.滤波

　　信号调理器的另一个重要功能是滤波，其对信号频谱进行滤波，只保留有效数据并防止噪声。滤波可以采用无源和有源部件或是数字算法。无源滤波只使用电容、电阻和电感器，其最大增益为1。有源滤波除了运算放大器和晶体管等有源元件外，还使用无源元件。最先进的信号调理器采用数字滤波，因为它们易于调整，且不需要硬件。数字滤波器是一种用来处理信号的数学滤波器，例如阻断或通过特定的频率。他们使用的逻辑元件包括ASIC、FPGAs或一个信号处理顺序程序。

　　5.评估和智能功能

　　除了以上功能外，现代信号调理器还带有信号评估和测量数据预处理等额外功能。这有助于通过电开关输出快速监视和评估并警报。额外的智能功能，如内部计算通道带有数学处理功能，PID控制器等。这些功能有助于获得快速反应系统，减少机器控制负荷。

　　6.接口

　　信号转换器必须通过标准接口和协议来传输传感器信号和机器控制。这些接口可以是模拟的，也可以是数字的。常见的模拟接口包括电压（±10V）或电流信号（4-20mA），但每一个信号都需要单独布线。现代数字接口被设计为基于总线的以太网接口（PROFINET，Ethercat，以太网/IP），通过一根线就可以连接多个部件。这不仅减少了布线，还可以传输额外的信息，如组件的诊断信息等。这对于减少宕机时间和快速维护非常重要。

　　7.俊德科技信号调理器

　　俊德科技能为客户提供具有以上多种智能功能和接口的信号调理器，包括用于生产控制的完整测量链解决方案。如果您想了解更多关于我们的信号调理器详情，请联系我们。

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