模拟信号设计注意事项

        对工程师来说，模拟量测量信号链设计通常都是一个很大的挑战。即使是由一个电阻式传感器和一个数模转换器构成的数据采集系统这样简单的信号链，也要处理许多复杂的因素才能实现一个有效的测量。当使用不同的传感器时，这些问题解决起来会更复杂。本文将讨论开发人员使用不同类型的电阻式传感器实现精确测量时需要解决的各种问题。

        简单来说，在所有使用电阻式传感器的系统中，模拟信号链或多或少都类似于如图1所示。

 
图1：基本模拟信号链

        虽然所有的信号链在一个模块水平上看起来很像，每个模块的参数会根据各种不同因素而不同。其中最重要的一个因素是需要考虑经过传感器的电阻值变化(并因此带来的电压改变)，其次是物理数量的变化、传感器到测量系统距离的变化(例如，由于导线电阻引起的测量误差)，以及该系统要求的精度、干扰类型、所需精度。这些因素决定了所需激励的类型、传感器连接到测量电路的方式、预处理电路和模数转换器所需的增益、需要的滤波器类型以及截止频率、分辨率和模数转换器输入范围。

        让我们看看不同的传感器和相关模拟信号链使用时的注意事项，先看一下热敏电阻。热敏电阻在不同温度下是极其非线性的。阻值随温度变化的关系是复杂的非线性函数，如下所示：

        这里T是温度，R的阻值。A、B、C是某种热敏电阻器所特有的常数。由于该方程算法复杂，在一个单片机实现它是不明智的。因此，通常实现这个算法的方式是使用查找表来对应阻抗和温度。然后使用分段算法计算出温度。虽然由于增益变化和偏置可能有测量错误，但这些错误对于基于热敏电阻的温度传感器要求的精度来说是可以忽略的。增益变化和偏移的问题我们将在这篇文章后面RTD部分介绍。

        说到电阻的测量，可以有多种直接测量方式，如图2所示。

  
图2(a)、2(b)，2(c)：电阻测量拓扑结构

        图2(a)中所示的拓扑结构是使用一个电压DAC来激励电阻分压器。电路中一个电阻是传感器本身，另一个电阻是已知阻值的参考电阻。这种结构是可行的，然而，单端测量有一些不完善的地方。其中之一是地会在靠近传感器的Vss和实际供给模数转换器的Vss之间偏移，这将导致一个偏移量。

        另一方面，如图2(b)，当ADC的–ve输入离电阻较近时，模拟地和ADC的地是相同的。由于差分线会彼此接近，直到传感器，任何加进来的信号都将被复制到另一个上面。使用差分测量结构测量这个信号时，因为它是一种共模信号，所以就抵消了。在这个图中另一点要注意的是，当测量经过Rsensor的电压时，+ve输入要贴近传感器本身。这可以保证不存在由于导线电阻引起的测量误差。

        图2(c)显示的结构是使用电流DAC来激励传感器。经过传感器的电压测量会提供一个准确的电阻值测量。就外部组件需要数量而言，电流励磁是最好的结构。它不需要任何参考电阻。然而，如果要校验系统增益误差，就需要一个外部电阻。请注意，对于那些不需要很高精度的应用，没有必要进行增益误差补偿，因此外部参考电阻也不是必要的。

电阻温度探测器(RTD)

        RTD (电阻温度探测器)在0o C时阻值为100欧姆，温度上每度的变化引起将近0.385欧姆的变化。由于RTD电阻较低，因此走线电阻的影响在准确性方面起着非常重要的作用。RTD使用恒流源激励。经过RTD的电压是可以测量的，可以用3线或4线方法，这取决于从测量系统到RTD的并行导线数目。由于RTD放在远离测量系统的位置，考虑到电线成本，一般使用3线测量方法。图3显示了RTD的3线测量接口框图。

 
图3：3线 RTD测量

        在图3中，当电压在第一通道测量时，测到的不单是经过RTD的电压。事实上，它测量到的是经过RTD及IDAC和RTD之间线阻的电压降。线阻引起的误差可以用多种方式处理。一种方法是手动测量线阻，然后把它储存为一个常数。每一次测量执行时，减去该电阻。另一种方法是测量RTD正极和数模转换器输出脚之间的电压降。如果电线是同一规格，那么他们就会有相同的阻抗，测量到的经过传感器电压可以减去前一步测量的电压。可是，如果电线是不对称的，仍然可能会有一些误差。而且，这种方法将消耗一个额外的引脚来连接DAC的输出脚到ADC的输入。