传感器的信号路径

传感器越来越多地应用于嵌入式系统中。虽然长期以来工业产品一直将其用于制造控制系统，但消费设备现在也开始采用传感器。制造商们正在消费产品中集成传感器，以创造出更好的用户体验，如在手机中增加加速度计，以及在微波炉中加入蒸汽传感器等。以前仅在数字域中工作的系统设计者现在发现，自己必须要与模拟传感器打交道了。

图1，一只传感器的模拟信号路径可以分为几级：放大、滤波和数字化。
　　
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（图1）。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。
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。
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的。
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500mV信号送给一个单位增益（即增益为1）的放大器，偏移电压为10mV，则得到的输出就是510mV。如果传感器的输出范围为0至900mV，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450mV至550mV，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。
滤波
　　
所有系统都会在传感器信号上叠加一些噪声。噪声来源有各个方面，包括电路板布局、射频、热元件，甚至传感器自身。信号噪声会使ADC的读数不精确和不稳定，噪声电平在放大器中会得到增强，因为放大器能放大信号中的误差。信号噪声可以分为低频、高频或某个已知频率。通常最需要解决的是高频噪声问题。　

图2，传感器的信号路径中包括放大器、滤波器和ADC。滤波器的设计用于去除信号中的噪声，限制带宽。
　　
用无源模拟滤波器、滤波器IC和数字滤波器都可以滤除噪声（图2）。最常见的方法是无源滤波，这要用电阻、电容和电感建立一个无源网络。不过，你必须设计无源的滤波器，并且无法简单地改变它们。滤波器设计的复杂度可能与你所需滤波器等级一样大；一个一阶Chebyshev滤波器的设计工作量要比一个八阶Bessel滤波器小得多。因此你应确定需要的滤波器阶数，然后再选择自己采用的滤波方法。
某些IC允许你用数字编程方法，确定需要的滤波器类型。这些IC用内部的模拟电路建立滤波器，并可能有与之相关的偏移电压。它们也可以让你将滤波步骤移到ADC量化的后面。数字滤波器设计可以很复杂，但有很多能帮助做出高阶滤波器的简便设计。数字滤波是去除噪声的一个理想方式，但是，它通常需要很多CPU周期，增加了功耗。系统通常会引起高频噪声，因此需要采用低通滤波器。这种滤波器可衰减高于所设定截止频率的信号部分。有些传感器信号要求采用相互串联的多种类型滤波器。大多数传感器数据表中都指定了一个基本的接口电路，但并未提及所需要的滤波形式。系统设计者必须在彻底了解需要的滤波形式以后，再建立系统。