傳感器的信號路徑
理解了一個模擬信號路徑后，數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)者就可以從各種應(yīng)用中，更精確地捕捉傳感器數(shù)據(jù)。
要點
即使同一家制造商的類似傳感器也可能有不同的輸出，而這些差異會給系統(tǒng)設(shè)計者帶來麻煩。
噪聲來自于多種原因，包括電路板布局、射頻、熱元件，甚至傳感器自身。
要使用傳感器濾波后的信號，必須用ADC，將模擬信號量化為數(shù)字信號。
可以選擇采用外接ADC，也可以采用內(nèi)置ADC的微控制器。外接ADC有較高的精度，在速度與分辨率方面有更好的性能。
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)，但消費設(shè)備現(xiàn)在也開始采用傳感器。制造商們正在消費產(chǎn)品中集成傳感器，以創(chuàng)造出更好的用戶體驗，如在手機中增加加速度計，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路徑可以分為幾級：放大、濾波和數(shù)字化。
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（圖1）。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(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)。
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(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)計者帶來一些麻煩。設(shè)計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。
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)計需要1°C的粒度，就需要做相當?shù)姆糯蟆Ｒ虼�，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(wǎng)絡(luò)（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(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)間是可以接受的。
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。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�？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)都會在傳感器信號上疊加一些噪聲。噪聲來源有各個方面，包括電路板布局、射頻、熱元件，甚至傳感器自身。信號噪聲會使ADC的讀數(shù)不精確和不穩(wěn)定，噪聲電平在放大器中會得到增強，因為放大器能放大信號中的誤差。信號噪聲可以分為低頻、高頻或某個已知頻率。通常最需要解決的是高頻噪聲問題。
