北京盛思瑞特公司代理經(jīng)銷多種品牌、多門類的傳感器，涵蓋HONEYWELL、TE、SMI、HYB、PNI、ISENTEK、SENSIRION等品牌，產(chǎn)品類型包括溫濕度、壓力、磁力計(jì)、加速度、霍爾IC等。在使用傳感器的過(guò)程中，由于敏感元件的輸出信號(hào)通常較為微弱，需要經(jīng)過(guò)放大處理。這一過(guò)程往往會(huì)引入誤差，進(jìn)而影響測(cè)量精度。本文列舉并分析了一些在信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)中容易導(dǎo)致誤差的原因。

傳感接頭安裝在小型金屬外殼中。這樣便可提高測(cè)量軸承中接觸點(diǎn)溫度變化的準(zhǔn)確性和靈敏度。傳感器可輕松安裝在空間有限的位置，并且可以鉆孔布設(shè)。K型比例系數(shù)為每度大約40uV，而S型的輸出大約為每度10uV。在使用熱電偶時(shí)還會(huì)遇到其它電路問(wèn)題，如熱電偶的連接需要保護(hù)電路等。在使用K型的情況下，在1250度范圍內(nèi)獲得±1.1℃的測(cè)量精度，誤差包括運(yùn)算放大器的輸入漂移和0.25至0.5℃的熱電偶非線性誤差。

另外在小信號(hào)處理電路中，由放大器帶來(lái)的噪聲是不可避免的，事實(shí)上這將決定系統(tǒng)可能實(shí)現(xiàn)的最佳信噪比。

誤差影響因素

典型的誤差影響因素包括參考電壓誤差、放大器誤差、傳感器誤差以及噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響。

(1) 參考電壓誤差

參考電壓是用來(lái)與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較的，因此這個(gè)參考電壓的實(shí)際值非常重要，需要對(duì)參考電壓進(jìn)行周期性校準(zhǔn)或軟件校準(zhǔn)以修正這個(gè)基本的測(cè)量誤差。而且，精心設(shè)計(jì)的參考電壓可以用來(lái)最大限度地減少由于溫度造成的漂移。在0℃至25℃的條件下，一個(gè)100ppm/℃的溫度系數(shù)的誤差會(huì)到2500ppm，或滿量程范圍的0.25%。

(2) 放大器誤差

運(yùn)算放大器因其失調(diào)零漂等原因，會(huì)引入誤差。傳感器信號(hào)輸入運(yùn)算放大器即會(huì)影響測(cè)量精度。如壓力傳感器，以壓力傳感器為例，一個(gè)20mV的滿量程信號(hào)將會(huì)有5%偏移，即1mV輸入偏置電壓。這個(gè)輸入偏置誤差可以直接降低測(cè)量精度，用足夠動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換器就可能利用軟件消除這個(gè)誤差。

下圖是TE MS5525的框圖，比例放大模擬輸出，用足夠動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換器。

(3) 傳感器誤差

傳感器因?yàn)榧庸すに嚨脑颍豢赡苓_(dá)到理想狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生誤差。修正傳感器誤差可能很困難。如壓力傳感器，即使在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行線性校準(zhǔn)，但是應(yīng)用中不同設(shè)備之間的輸出比例系數(shù)的變化量仍然很高。壓力傳感器的參考電壓通常是由激勵(lì)產(chǎn)生的，通過(guò)惠斯頓電橋產(chǎn)生一種比例式測(cè)量方法，該方法可一定程度消除漂移誤差，但由于電橋之間不可能完全對(duì)稱，故仍然會(huì)有偏置電壓產(chǎn)生。

下圖是SMI SM5470低壓傳感器的零點(diǎn)偏移，其偏置誤差很大程度是由電橋不對(duì)稱導(dǎo)致。

(4) 噪聲影響

噪聲有許多來(lái)源，包括來(lái)自附近高速數(shù)字邏輯電路、電源、風(fēng)扇電機(jī)、電磁閥和射頻EMI的耦合噪聲。可以通過(guò)合適的接地設(shè)計(jì)、屏蔽方法和電路板布局等降低噪聲。另外可以選擇引入噪聲最小、具有足夠增益帶寬的運(yùn)算放大器?？筛鶕?jù)引入的噪聲大小評(píng)價(jià)運(yùn)算放大器，噪聲量根據(jù)對(duì)不受限制帶寬(寬頻帶)或確定帶寬上的信號(hào)的測(cè)量值來(lái)確定。

以下是TE MS4525壓力傳感器在5VDC測(cè)試下的噪聲波形圖。

TE MS4525噪聲波形圖

TE MS4525噪聲換算

A/D轉(zhuǎn)換器

使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，背景噪聲是可用測(cè)量精度的決定性因素。當(dāng)一個(gè)器件的額定分辨率為24位時(shí)，由于噪聲導(dǎo)致的局限性，通常轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的實(shí)際精度更低。這里需要區(qū)分有效位和極低噪聲值，有效位規(guī)格是由噪聲電平RMS值計(jì)算出來(lái)的，極低噪聲值則是基于峰-峰值，通常相當(dāng)于統(tǒng)計(jì)RMS值的6.6倍之多。因此，極低噪聲規(guī)格表示的是轉(zhuǎn)換器的有效分辨率，在背景噪聲以上LSB位依然保持穩(wěn)定。還需要特別注意規(guī)格書中的限制條件，例如參考電壓和輸入范圍可能因應(yīng)用不同而異，數(shù)據(jù)手冊(cè)上所承諾的與實(shí)際比值可能有相當(dāng)大的差異。

運(yùn)算放大器

對(duì)于放大器而言，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪聲和高增益很困難。那么就需要讓放大器的噪聲水平與其誤差達(dá)到同樣的范圍。所有的半導(dǎo)體放大器都會(huì)有1/f噪聲，也稱為閃爍噪聲(flicker noise)，它是由于材料而產(chǎn)生的一種基本現(xiàn)象。與頻率相反，在一個(gè)特定的噪聲拐點(diǎn)以下，噪聲密度將呈指數(shù)增加，而且在低頻時(shí)變得有非常大。很少有放大器能低成本地以單芯片實(shí)現(xiàn)這種低噪聲和高增益的組合特性。

為了實(shí)現(xiàn)低噪聲和高增益，可以設(shè)計(jì)混合的多放大器電路，采用一種具有高輸入阻抗、輸入糾錯(cuò)電路和第二個(gè)(或第三個(gè))補(bǔ)償放大器的輸入放大器組合，以實(shí)現(xiàn)所需的增益。集中于一個(gè)參數(shù)的放大器經(jīng)常在其他方面帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題。