發布日期：2022-10-09 點擊率：184
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準，只有專用的工業系統在使用它們。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設計者帶來一些麻煩。設計者選擇傳感器時必須滿足系統的需求。然而，如果在設計期間這種需求出現變化，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過數字化才能供系統使用，并且信號要經過放大、濾波和數字化。每一級通常都涉及一只圍繞著一些無源元件的器件，以正確地實現一個應用。一旦對信號做了數字化，就可以將其送給微處理器上的控制系統，或整理數據后通過一個通信協議送至一只主處理器。協議可以根據需要使用傳感器數據。
大多數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絡就能將任何電流信號變為一個電壓。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毫伏，也可以高達數伏特。為做到正確的數字化，對ADC來說信號必須足夠大，才能有效地讀出。大多數情況下，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，如果你的設計需要1°C的粒度，就需要做相當的放大。因此，必須考慮到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，而系統不需要非常精密的傳感器讀數，那么這個偏移就可以忽略不計。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，但你需要知道系統是否能容忍它。可以用相關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絡（帶反饋）決定了放大器的增益。理想情況下，標準放大器的最大增益是無限的。給器件的數字信號通常就設定了PGA的增益。這個信號改變了內部電阻網絡。一只PGA的最大可能增益為傳統放大器的千分之一至二分之一，但大多數情況下這個區間是可以接受。
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描述
作為消費、工業、科學和其他應用的基本組成部分，運算放大器是最廣泛應用的電子元器件。對大多數低端應用來說，設計要求明確，因而元件的選擇也相對容易。但在用于實現許多高端傳感器的輸入處理設計時，如何選擇最佳的精密運算放大器卻存在一些挑戰。
在傳感器類型和（或）其使用環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、可靠的熱穩定性和對數以千計讀數和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現性，運算放大器的選擇就會變得特別困難。
在基于傳感器的復雜應用中，設計者需要進行多方面考慮，以便獲得規格與性能最佳組合的精密運算放大器，同時還需要考慮成本。具體而言，斬波穩定型運算放大器（零漂移放大器）非常適用于要求超低失調電壓以及零漂移的應用。斬波運算放大器通過持續運行在芯片上實現的校準機制來達到高DC精度。
雖然沒有普遍公式可供遵循，但下面的如何選擇運算放大器的例子可幫助實現重要的應用目標。
衡器和壓力傳感器
衡器和壓力檢測應用通常使用非常靈敏的模擬前端傳感器，如應變計，這些傳感器可提供非常精確的測量結果，但輸出信號非常微弱。對于高精度衡器應用，設計人員可能使用橋式傳感器網絡，其中運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。這種先進的“自主”設計對運算放大器性能具有嚴格的要求，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，運算放大器必須具有超低輸入失調電壓和最小失調溫度漂移，并具有寬增益帶寬和軌到軌輸入/輸出擺幅（當然，小輸入信號不需要軌到軌輸入擺幅）。同樣重要的還有運算放大器需要在接近DC狀態（如0.1Hz~10Hz）時具有非常穩定的超低頻噪聲特征對于高精密衡器橋式網絡傳感器應用，設計人員應當尋找具有極低輸出失調電壓和低噪聲（1/f-1mHz）的單個零漂移運算放大器。
如圖1所示，一個很好的例子是斬波零漂移ISL運算放大器，其可在0.1Hz到10Hz頻率范圍內提供卓越噪聲電壓（nV），從而對DC電平提供幾乎平坦的噪聲頻帶。因其內部穩定的斬波設計，ISLL技術規格實際包括10 PPM的最大噪聲增益（七西格瑪）來提供針對高增益應用的最優性能，同時最小化噪聲增益誤差。
傳感器實現目標需要的精密運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用，低功耗也是一個需要重要考慮的因素。設計人員可考慮采用ISL，這款放大器基于斬波穩定設計，綜合了低微功耗（最大25？A）和低失調電壓（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。對于其他需要使用更高基準電壓（如10V而非5V）的應變計應用，設計人員可以考慮ISL或ISL。
電流檢測和控制應用
根據具體要求的不同，檢測電流強度的方法很多。其中包括使用電阻器的分路傳感器、霍爾效應傳感器以及電流互感器。在本例中，我們將考察應用于分路傳感器的運算放大器的要求。現今的分路傳感器技術已發展到具有高精度，并可提供低成本優勢的特點，并且適用范圍廣。
基本而言，分路傳感器技術是將一個電阻器置于被測量電源的線路中。因為電阻壓降會影響功效，所以通常需要使用盡可能小的電阻值。而這就意味在電流檢測應用中，必須放大相對較小的電阻差分功率。
因此，運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測產品的物料成本。
此外，對許多工業、公用事業和通信電流的檢測應用，運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，部署在電線桿頂的電流傳感器由于暴露在相對惡劣的環境變化中，所以需要提供長期的穩定性能而不產生昂貴的維護要求。
許多基于分路器的電流檢測應用都采用了運算放大器，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。
傳感器實現目標需要的精密運算放大器選擇方法淺析圖2 將失調電壓在溫度和時間上的漂移將到最小化，ISL是一款單一斬波穩定型運算放大器，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領域（如消費、工業、通信和公用事業等）的最普遍應用之一，隨著新型電子器件的大量增加和人們對“綠色”電源管理技術的日益重視，其重要性日益提高。上文描述的斬波穩定型精密運算放大器提供極低失調電壓和失調偏移、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用需求。
手持式有毒環境安全監測儀
最后一個應用例子是將大量不同傳感器輸入集中在一個設備中，該設計表明良好設計的運算放大器有助于處理緊湊型便攜設備上的多傳感器信號鏈。用于監測危險環境的手持式設備越來越多地采用傳感器以便最小化尺寸和最大化功能。此類設備可能包含可燃氣體傳感器、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算放大器（如ISL）具備針對小型手持式設備中多傳感器信號鏈的優勢。
傳感器實現目標需要的精密運算放大器選擇方法淺析圖3 多傳感器手持有毒環境安全檢測儀因為這些安全設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設計為在單電源（1.8V-5.5V）模式下工作，所以適用于由兩節1.5V堿性電池供電的手持設備。此外，因為多個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級電路的復雜性和部件數量。
由于可燃氣體傳感器、氧傳感器和熱傳感器的建立時間通常長達10秒，所以運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。
擴大運算放大器的選擇范圍
作為應用最廣泛的電子元件之一，運算放大器的使用還會繼續增加。隨著提供模擬傳感器功能的設備越來—從本文所舉的例子到大量使用運動、近程、光和其他傳感器的工業及消費設備，運算放大器的使用正在以指數規律增加。
像任何良好設計的規范一樣，首要標準始終必須是實現系統工作的準確性和性能目標。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。幸運的是，現今可供系統設計人員選擇的精密運算放大器更加廣泛，使他們能夠有效地滿足最嚴格的性能和準確性要求，并在耗電量、尺寸、部件數量和整體成本間取得平衡。
責任編輯：ct
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什么是應變信號放大器，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來計算，可以測量出的精度還不足1%，這肯定遠遠達不到我們的要求，所以，我們必須采用放大器將信號先進行放大到0-10V，才能和我們的數據采集卡/PLC匹配。
信號調理是一個數據采集的過程，信號調理器是用來執行這個過程的儀器。將一種電或機械信號（輸入信號）轉換為另一種（輸出信號）。其目的是將這個信號放大并轉換成易于識別并兼容數據采集或機器控制的形式。
信號調理器有助于提供測量的準確度，這對于高精度數據采集和機器控制是必不可少的。并可以執行更多的不同功能，本文將概述新的趨勢。
信號調理器的功能
1.信號轉換
信號調理器的主要功能是接收信號并將其轉換成更高電平的電信號。信號轉換通常用于使用多種傳感器進行測量的工業應用。由于使用的傳感器不同，因此需要轉換為所連接設備能使用的信號，都需要能被轉換成標準過程信號。
2.線性化
當傳感器產生的信號與物理量沒有線性關系時，某些信號調理器可以實現線性化。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現更高精度。在傳感器標定以過程及校準協議中，需要對線性化參數進行評估。
3.放大
下一步是信號放大和處理或數字化信號的過程。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，采用設備的隔離高直流電平。
4.濾波
信號調理器的另一個重要功能是濾波，其對信號頻譜進行濾波，只保留有效數據并防止噪聲。濾波可以采用無源和有源部件或是數字算法。無源濾波只使用電容、電阻和電感器，其最大增益為1。有源濾波除了運算放大器和晶體管等有源元件外，還使用無源元件。最先進的信號調理器采用數字濾波，因為它們易于調整，且不需要硬件。數字濾波器是一種用來處理信號的數學濾波器，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，現代信號調理器還帶有信號評估和測量數據預處理等額外功能。這有助于通過電開關輸出快速監視和評估并警報。額外的智能功能，如內部計算通道帶有數學處理功能，PID控制器等。這些功能有助于獲得快速反應系統，減少機器控制負荷。
6.接口
信號轉換器必須通過標準接口和協議來傳輸傳感器信號和機器控制。這些接口可以是模擬的，也可以是數字的。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布線。現代數字接口被設計為基于總線的以太網接口（PROFINET，Ethercat，以太網/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。這對于減少宕機時間和快速維護非常重要。
7.俊德科技信號調理器
俊德科技能為客戶提供具有以上多種智能功能和接口的信號調理器，包括用于生產控制的完整測量鏈解決方案。如果您想了解更多關于我們的信號調理器詳情，請聯系我們。
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力傳感器和放大器有什么關系,為什么你需要給傳感器配放大器》
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