灵活的传感器信号调理和安全传输

单芯片传感器信号调理器集成附加功能提供灵活的信号调理

专业的传感器记录各种各样物理参数提供给人或者机器用来更好的决策和优化处理。为了达到期望的结果，传感器的信号质量和功能安全是同样重要的。此外，转换这些被测量的参数必要时应该尽可能的精确和包含易于集成的电子输出级。

设计者面对的一个挑战是廉价的放大这些小信号，这些信号通常具有非线性以及参数受温度影响。使用下面的这些方法来调理它们，使得在恶劣的工业环境下通过长电缆能够保证安全传输。

设计者也需要决定如果要传输信号，传输的信号是数字的还是模拟的。本文概述了针对这个问题的可能方法，描述了一个通用的结构、集成的、可编程的信号调理器用于线性和旋转编码器、AMR传感器和光学传感器的信号预处理，来满足工业应用的要求。

信号的质量和错误保护是决定性的

为达到最佳的适应和评估各种传感器元件，例如，用来测量温度、压力/压强、加速度、位置或光强度，需要一个仪表放大器来提供一个必要的放大。仪表放大器是一个差分器件，两个输入同样放大；它要求必须包含灵活的、可调节的和具有一个高阻抗输入来处理这些非常微弱的传感器信号。它也必须具有补偿能力来补偿由于生产引起的制造偏差。在信号调理级，应该考虑到由温度或温度漂移以及泄露、抑制引起的非线性影响，还要避免噪声或在传感器感应的干扰。传感器桥阵列（典型的是惠斯通电桥）尤其适合抑制共模干扰以及即使轻微的电压改变也能够提供一个足够的信号质量。当需要在信号通道定位可能的信号错误源时，考虑下面的这些可能性：

 1、检查线路断路或者短路

 2、在传感器上或者在信号传输期间感应的干扰

 3、电源供电中断或者接地不良

 4、超出最大工作温度范围

一个个冗余的信号路径模式已被证明在高要求的错误保护情况下是明智的，但传感器信号电缆的成本将会加倍。一个好的折中是以传感器信号的差异作为条件来简单的检测信号线错误，以及结合这个使用一个集成的温度探测器和一个电压探测器和传感器监控功能来提供各种诊断功能，包括识别传感器焊接和线缆失效以及温度监控。关于传输传感器信号，一个供替代的选择是在信号调理之后立即数字化这些值，然后使用安全的数字协议传输它们。为了达到较高的测量分辨率，每个传感器需要一个ADC，而这将涉及到更高的使用复杂的现场总线协议的成本。

简单的电压信号（例如，0-10V）或者电流信号（例如，4-20mA）接口是相当通用的但不提供标准监控。系统设计者因此选择差分传输模拟测量值，差分传输使得传感器信号在驱动器方面逻辑是有效的以及即使使用长的连接电缆共模干扰也会得到抑制。采用这些建议，iC-Haus构思了iC-TW3，一个差分的，三通道可编程信号调理器，配备100-120Ω闭环差分线驱动器。

一个通用的信号调理器

图1所示的是iC-TW3通用信号调理器的差分信号通路。此器件由一个可编程输入放大器、一个偏置补偿级、一个动态滤波器和一个差分输出放大器组成。输入偏置、增益和低通滤波器频率可在此信号通路中设置。在所有三级放大覆盖的-6到57dB范围可由间隔0.08dB进行设置。一个总共±1240mV的偏置电压可由多个40mV配置给前端放大器。一个总共±2.54mV的偏置补偿值可以2mV为单位由下游的动态滤波器放大器设置。输出放大器也包含差分线驱动器和推动已调整的信号，以便使用一个低阻线终端（例如，120Ω）也可以用来直接传输1Vpp的信号。

图1：传感器信号调理通路

此放大器输入也可以工作在单端模式。如果有这样的需求，则放大器负的输入端要连接到VDD/2。作为一个附加的选择，连接到传感器器件的线缆断开可以由切换到内部的2MΩ上拉电阻来监控。发生此错误事件，信号调理器iC-TW3由NERR输出一个低电平标志产生了一个传感器断开事件。

自动温度补偿

  温度错误通常在传感器部分没有补偿，但会在中心计算机、微控制器、PLC或者驱动器补偿。温度直接由传感器测量并且作为一附加参数被传输。作为一种选择，温度可以在传感器部分测量，用来限制监控和执行本地补偿。后面的这种方法基于两个温度测量点的线性插补细分。为此，iC-TW3允许一个总计16个自由选择的插补细分点在0-255的范围，包括最低值0和最高值255。使用集成的温度传感器，这相当于-50℃到150℃的范围。然而，两点距离之间的温度传感器曲线可以自由地选择以及可以被调节到适合任何类型的曲线。这些插补细分点存储在一个查找表里，iC-TW3自动地差补细分通道A和通道B的增益和偏置与通道Z的偏置一样好。一个总计五个8位的值给可能的16个插补细分点，存储在I²C连接的EEPROM表格里。这个例子如图2所示，七个定义好的差补细分点用于温度补偿来矫正所连接的传感器的偏置和增益的非线性。

图2：插补细分温度补偿增益和偏置

一个外部温度传感器也可以被连接到iC-TW3，此传感器应该从物理上隔开电子和其他环境温度的影响。一个在-50℃和150℃之间的8位的值被用来定义一个可选择的门限温度触发警报。这个警报由iC-TW3的ERR管脚输出一个低电平，此也可以被用来驱动一个通用错误LED指示。

由微控制器或者一台计算机来调理

  iC-TW3由一个双向的脉宽调制1-线接口来读/写访问所有的寄存器，如同连接的参数存储器件（一个标准的I²C EEPROM）。在实际应用中可以通过一个微控制器的端口直接控制。此连接也可以配置成一个光学的只-写连接，如果是密封的传感器补偿，需要“无线”设置。例如，通过一个光传输窗口完成。可提供一个适配器用来开发和设计使用，它可以连接到普通计算机或者笔记本电脑的USB接口。图3描述了iC-TW3的图形用户界面用于调理信号通路A和B。在开发期间，这允许用户确定所有的前置放大器的增益和偏置、滤波器和输出放大器的参数。工作模式设置（差分或者单端）和传感器错误监控也可以使用这个工具来编程设置。如果设置被选择，所有新的设置通过软件立即写入iC-TW3连接的EEPROM。当前iC-TW3的测量温度、EEPROM校验和报警、超温和传感器错误也形象的显示出来。每个信号增益路径可以设置为省电模式来节省功耗。

第三个通道Z信号通路的设置是相似的。这可以用来扫描增量编码器的参考轨道，用于角度和运动测量或者作为一个可调节的比较器支持增益和偏置警告设置。自动偏置补偿周期信号，例如那些正弦/余弦扫描和最大适应频率以及目标幅度（内部1/2V_PP或一个预设的外部值），使用Misc菜单选择所有的传感器信号通道。这也可以用来切换温度补偿的开关和设置最高温度限制。插补细分点和温度补偿特性曲线特征（多达16个查找表）通过一个集成编辑器编辑（通过菜单Extras访问）。

图3：通过USB接口调理信号用于开发和生产

传感器桥应用

  图4是一个运动传感器电路图，通过磁或者光传感器桥扫描两个差分轨道，然后调理这些周期的正弦/余弦信号，放大到1Vpp以及通过连接电缆差分传输他们给一个120Ω的线路终端。视情况，一个索引传感器信号可以经iC-TW3的第三个通道调整处理和传输。这种方法的优越性是差分的正弦/余弦传输实际上不受接口影响，以至于它的逻辑可验证性，确保应用电路的功能安全。在接收器部分调理过的传感器信号也可以使用一个非常高的分辨率数字化，使得线缆短路和断路在接收器部分能容易的被识别。

图4：运动传感器带正弦/余弦信号调理和差分模拟传输

上电后，iC-TW3从EEPROM提取工作模式和校准数据填充到它的内部RAM。依旧可以通过1-线接口访问它，允许重新补偿或者改变工作模式。然后，这些变更可由iC-TW3写入EEPROM。如果iC-TW3检测到一个错误（例如超温、EEPROM校验错误或者传感器器件连接线断开），NERR输出被激活。这个报警然后可由一个数字输出驱动器通过长的线路或者电缆传输。

内置安全功能

  而图4所示的系统支持安全的差分线在120Ω的负载线驱动，图5所示的系统支持100Ω线驱动。图5所示的是磁增量编码器的例子，磁传感器桥或者光信号被iC-MSB用iC-TW3相似的方法放大和调理。在线缆带100Ω的终端电阻，iC-SMB提供一个摆率为1Vpp值并且支持短路保护和容错。iC-SMB电路通过了失效模式与影响分析(FMEA)，因此适合在安全应用中使用，例如西门子数控产品系统。

图5：磁编码器带模拟信号传输适用于关键性安全应用

由上所述，传感器信号调理应该包括灵活的信号调理设置、全部的信号传输路径、包含信号调理和模拟线驱动器。这些会帮助减小系统成本和满足功能安全需求。片上温度传感和自动偏置补偿提供了新的方法去提高系统性能和减少控制系统的工作量。

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