靈活的感測器信號調理和安全傳輸
單晶片感測器信號調理器集成附加功能提供靈活的信號調理
專業的感測器記錄各種各樣物理參數提供給人或者機器用來更好的決策和優化處理。為了達到期望的結果，感測器的信號品質和功能安全是同樣重要的。此外，轉換這些被測量的參數必要時應該盡可能的精確和包含易於集成的電子輸出級。
設計者面對的一個挑戰是廉價的放大這些小信號，這些信號通常具有非線性以及參數受溫度影響。使用下麵的這些方法來調理它們，使得在惡劣的工業環境下通過長電纜能夠保證安全傳輸。
設計者也需要決定如果要傳輸信號，傳輸的信號是數字的還是模擬的。本文概述了針對這個問題的可能方法，描述了一個通用的結構、集成的、可編程的信號調理器用於線性和旋轉編碼器、AMR感測器和光學感測器的信號預處理，來滿足工業應用的要求。
信號的品質和錯誤保護是決定性的
為達到最佳的適應和評估各種感測器元件，例如，用來測量溫度、壓力/壓強、加速度、位置或光強度，需要一個儀錶放大器來提供一個必要的放大。儀錶放大器是一個差分器件，兩個輸入同樣放大；它要求必須包含靈活的、可調節的和具有一個高阻抗輸入來處理這些非常微弱的感測器信號。它也必須具有補償能力來補償由於生產引起的製造偏差。在信號調理級，應該考慮到由溫度或溫度漂移以及洩露、抑制引起的非線性影響，還要避免雜訊或在感測器感應的干擾。感測器橋陣列（典型的是惠斯通電橋）尤其適合抑制共模干擾以及即使輕微的電壓改變也能夠提供一個足夠的信號品質。當需要在信號通道定位可能的信號錯誤源時，考慮下麵的這些可能性：
1、檢查線路斷路或者短路
2、在感測器上或者在信號傳輸期間感應的干擾
3、電源供電中斷或者接地不良
4、超出最大工作溫度範圍
一個個冗餘的信號路徑模式已被證明在高要求的錯誤保護情況下是明智的，但感測器信號電纜的成本將會加倍。一個好的折中是以感測器信號的差異作為條件來簡單的檢測信號線錯誤，以及結合這個使用一個集成的溫度探測器和一個電壓探測器和感測器監控功能來提供各種診斷功能，包括識別感測器焊接和線纜失效以及溫度監控。關於傳輸感測器信號，一個供替代的選擇是在信號調理之後立即數位化這些值，然後使用安全的數字協議傳輸它們。為了達到較高的測量解析度，每個感測器需要一個ADC，而這將涉及到更高的使用複雜的現場匯流排協議的成本。
簡單的電壓信號（例如，0-10V）或者電流信號（例如，4-20mA）介面是相當通用的但不提供標準監控。系統設計者因此選擇差分傳輸模擬測量值，差分傳輸使得感測器信號在驅動器方面邏輯是有效的以及即使使用長的連接電纜共模干擾也會得到抑制。採用這些建議，iC-Haus構思了iC-TW3，一個差分的，三通道可編程信號調理器，配備100-120Ω閉環差分線驅動器。
一個通用的信號調理器
圖1所示的是iC-TW3通用信號調理器的差分信號通路。此器件由一個可編程輸入放大器、一個偏置補償級、一個動態濾波器和一個差分輸出放大器組成。輸入偏置、增益和低通濾波器頻率可在此信號通路中設置。在所有三級放大覆蓋的-6到57dB範圍可由間隔0.08dB進行設置。一個總共±1240mV的偏置電壓可由多個40mV配置給前端放大器。一個總共±2.54mV的偏置補償值可以2mV為單位由下游的動態濾波器放大器設置。輸出放大器也包含差分線驅動器和推動已調整的信號，以便使用一個低阻線終端（例如，120Ω）也可以用來直接傳輸1Vpp的信號。
圖1：感測器信號調理通路
此放大器輸入也可以工作在單端模式。如果有這樣的需求，則放大器負的輸入端要連接到VDD/2。作為一個附加的選擇，連接到感測器器件的線纜斷開可以由切換到內部的2MΩ上拉電阻來監控。發生此錯誤事件，信號調理器iC-TW3由NERR輸出一個低電平標誌產生了一個感測器斷開事件。
自動溫度補償
溫度錯誤通常在感測器部分沒有補償，但會在中心電腦、微控制器、PLC或者驅動器補償。溫度直接由感測器測量並且作為一附加參數被傳輸。作為一種選擇，溫度可以在感測器部分測量，用來限制監控和執行本地補償。後面的這種方法基於兩個溫度測量點的線性插補細分。為此，iC-TW3允許一個總計16個自由選擇的插補細分點在0-255的範圍，包括最低值0和最高值255。使用集成的溫度感測器，這相當於-50℃到150℃的範圍。然而，兩點距離之間的溫度感測器曲線可以自由地選擇以及可以被調節到適合任何類型的曲線。這些插補細分點存儲在一個查找表裏，iC-TW3自動地差補細分通道A和通道B的增益和偏置與通道Z的偏置一樣好。一個總計五個8位的值給可能的16個插補細分點，存儲在I2C連接的EEPROM表格裏。這個例子如圖2所示，七個定義好的差補細分點用於溫度補償來矯正所連接的感測器的偏置和增益的非線性。
圖2：插補細分溫度補償增益和偏置
一個外部溫度感測器也可以被連接到iC-TW3，此感測器應該從物理上隔開電子和其他環境溫度的影響。一個在-50℃和150℃之間的8位的值被用來定義一個可選擇的門限溫度觸發警報。這個警報由iC-TW3的ERR管腳輸出一個低電平，此也可以被用來驅動一個通用錯誤LED指示。
由微控制器或者一臺電腦來調理
iC-TW3由一個雙向的脈寬調製1-線介面來讀/寫訪問所有的寄存器，如同連接的參數記憶體件（一個標準的I2C EEPROM）。在實際應用中可以通過一個微控制器的端口直接控制。此連接也可以配置成一個光學的只-寫連接，如果是密封的感測器補償，需要“無線”設置。例如，通過一個光傳輸窗口完成。可提供一個適配器用來開發和設計使用，它可以連接到普通電腦或者筆記本電腦的USB介面。圖3描述了iC-TW3的圖形用戶介面用於調理信號通路A和B。在開發期間，這允許用戶確定所有的前置放大器的增益和偏置、濾波器和輸出放大器的參數。工作模式設置（差分或者單端）和感測器錯誤監控也可以使用這個工具來編程設置。如果設置被選擇，所有新的設置通過軟體立即寫入iC-TW3連接的EEPROM。當前iC-TW3的測量溫度、EEPROM校驗和報警、超溫和感測器錯誤也形象的顯示出來。每個信號增益路徑可以設置為省電模式來節省功耗。
第三個通道Z信號通路的設置是相似的。這可以用來掃描增量編碼器的參考軌道，用於角度和運動測量或者作為一個可調節的比較器支持增益和偏置警告設置。自動偏置補償週期信號，例如那些正弦/余弦掃描和最大適應頻率以及目標幅度（內部1/2VPP或一個預設的外部值），使用Misc菜單選擇所有的感測器信號通道。這也可以用來切換溫度補償的開關和設置最高溫度限制。插補細分點和溫度補償特性曲線特徵（多達16個查找表）通過一個集成編輯器編輯（通過菜單Extras訪問）。
圖3：通過USB介面調理信號用於開發和生產
感測器橋應用
圖4是一個運動感測器電路圖，通過磁或者光感測器橋掃描兩個差分軌道，然後調理這些週期的正弦/余弦信號，放大到1Vpp以及通過連接電纜差分傳輸他們給一個120Ω的線路終端。視情況，一個索引感測器信號可以經iC-TW3的第三個通道調整處理和傳輸。這種方法的優越性是差分的正弦/余弦傳輸實際上不受介面影響，以至於它的邏輯可驗證性，確保應用電路的功能安全。在接收器部分調理過的感測器信號也可以使用一個非常高的解析度數位化，使得線纜短路和斷路在接收器部分能容易的被識別。
圖4：運動感測器帶正弦/余弦信號調理和差分模擬傳輸
上電後，iC-TW3從EEPROM提取工作模式和校準數據填充到它的內部RAM。依舊可以通過1-線介面訪問它，允許重新補償或者改變工作模式。然後，這些變更可由iC-TW3寫入EEPROM。如果iC-TW3檢測到一個錯誤（例如超溫、EEPROM校驗錯誤或者感測器器件連接線斷開），NERR輸出被啟動。這個報警然後可由一個數字輸出驅動器通過長的線路或者電纜傳輸。
內置安全功能
而圖4所示的系統支持安全的差分線在120Ω的負載線驅動，圖5所示的系統支持100Ω線驅動。圖5所示的是磁增量編碼器的例子，磁感測器橋或者光信號被iC-MSB用iC-TW3相似的方法放大和調理。線上纜帶100Ω的終端電阻，iC-SMB提供一個擺率為1Vpp值並且支持短路保護和容錯。iC-SMB電路通過了失效模式與影響分析(FMEA)，因此適合在安全應用中使用，例如西門子數控產品系統。
圖5：磁編碼器帶模擬信號傳輸適用於關鍵性安全應用
由上所述，感測器信號調理應該包括靈活的信號調理設置、全部的信號傳輸路徑、包含信號調理和模擬線驅動器。這些會幫助減小系統成本和滿足功能安全需求。片上溫度傳感和自動偏置補償提供了新的方法去提高系統性能和減少控制系統的工作量。
