傳感器信號通道設計

電流、光信號及接近檢測

概述

電流檢測對于很多應用都十分關鍵，有兩種常見的測量方法。

1.一種方法通常用于大電流檢測，往往用來監(jiān)測電源。典型應用包括：短路檢測、瞬態(tài)檢測以及電池反接檢測。

2.電流檢測還用于那些需要檢測弱電流(低至微安級)的系統(tǒng)，例如：光照下能夠產生極小電流的光敏二極管。典型應用包括環(huán)境光檢測、接近檢測以及基于光吸收/發(fā)射的化學過程監(jiān)測。

這些電流檢測技術都使用了電流檢測放大器(具有多種配置)或互阻放大器(TIA)。以下分別討論各種類型的電流檢測放大器。

采用電流檢測放大器檢測電流

測量電流的技術有多種，但截至目前為止，最常見的是利用檢流電阻進行測量。這種方法的基本原理是利用基于運放的差分增益級對檢流電阻兩端的電壓進行放大，然后測量放大后的電壓。雖然可以利用分立元件搭建放大電路，但集成電流檢測放大器相對于分立設計具有明顯優(yōu)勢：極小的溫漂、占用極小的印制板(PCB)面積，而且能夠處理較寬的共模范圍。

多數電流檢測設計采用低邊或高邊檢測。在低邊檢測中，檢流電阻與地通路相串聯(lián)。電路只需處理較低的輸入共模電壓，輸出電壓以地為參考。但是，低邊檢流電阻在接地通路增加了所不希望的電阻。高邊檢測中，檢流電阻與正電源電壓相串聯(lián)。此時負載的一端接地，但高邊電阻必須承受相對較大的共模信號。

圖7 電流檢測信號鏈路框圖

Maxim的高邊電流檢測放大器把檢流電阻連接到電源的正端和被監(jiān)測電路的電源輸入之間。這種設計避免了接地通道的外接電阻，大大簡化電路布局，有助于改善電路的總體性能。Maxim提供的單向和雙電流檢測IC有些帶有內部檢流電阻，有些采用外部檢流電阻。

利用互阻放大器(TIA)檢測光信號

第二種常見的電流測量技術是利用具有極低輸入偏置電流的運算放大器，例如TIA，它將電流輸入轉換成電壓輸出。這種方法適用于電流非常小、波動較大的應用，例如光檢測應用中光敏二極管產生的信號。

一個簡單的光敏二極管就是一個非常準確的光檢測傳感器。光檢測可以用于從基于太陽能的電源管理到精密的工業(yè)過程控制等多種不同應用。由于給定環(huán)境下，光強的變化范圍很大(例如從20klx到100klx)，寬動態(tài)范圍成為光信號檢測的一項關鍵要求。MAX9635等集成方案在器件內部集成了一個光敏二極管、放大器和模/數轉換器(ADC)，動態(tài)范圍為0.03lx至130,000lx。

利用光敏二極管進行接近檢測

接近檢測的方案有多種，光敏二極管相對而言能夠提供較高的精度，功耗也更低。光敏二極管受到光照時，將產生與光強成正比的電流。低輸入噪聲、寬帶 緩沖器將該電流傳遞給系統(tǒng)的其它部分?？梢赃x用低輸入噪聲放大器，例如MAX9945，提供精確的測量結果。

傳感器通信接口

傳感器通過模擬或數字技術傳輸檢測信息。模擬技術基于電壓或電流環(huán);數字信息則通過CAN 及其它數據接口傳輸。

二進制傳感器僅傳輸比特流。通常情況下，被測對象的“有”、“無”利用邏輯電平表示并進行傳輸。此外，當一個對象(例如閥門中的活塞)達到預定的臨界點時，傳感器能夠檢測到這一信息，然后通過二進制接口將信息傳遞給可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)。

由于工業(yè)環(huán)境條件惡劣，傳感器接口必須高度可靠，能夠承受各種誤操作和EMI 。