压力传感器的信号采集处理

在现代工业控制和系统监测领域，压力和重量通常需要监测和测量。压力测量尤为重要，因为压力可以直接用来测量流体、高度等物理量。由于加载是影响传感器输出的属性，压力和重量测量装置可视为加载传感器。从真空计到重型机械称重，以及工业液压设备、绝对压力等领域，加载传感器应用广泛。每个应用程序对精度、精度和成本都有不同的具体要求。虽然压力和重量(加载/感应)的测量方法和技术很多，但最常用的测量装置是应力计。
最常见的应力计有两种：一种是金属箔，主要用于压力传感器；另一种是基于半导体的压阻压力传感器，广泛用于压力测量。与金属箔压力传感器相比，压阻式压力传感器灵敏度更高，线性更好，但容易受温度影响，并有一定的初始偏差。原则上，所有应力计在受到外力时都会改变电阻值。因此，当有电信号激励时，压力和重量可以有效地转换为电信号。有源电阻元件(应力计)通常放置在惠斯通电桥(有时称为测压元件)上，产生与压力或重量对应的差异输出电压。工程师可以设计一个传感器模块，可以满足各种加载/感应系统的需要。成功的设计包括传感器元件，用于检测物理量和合理的信号链路。
完整的信号链路方案。
压力传感器信号链路必须能够处理噪声弱的信号。为了准确测量电阻压力传感器输出电压的变化，电路必须具备以下功能：激励、放大、滤波和采集。一些解决方案也可能需要数字信号处理(DSP)技术对信号进行处理、误差补偿、数字放大以及用户可编程操作。
放大和电平转换模拟端(AFE)
在某些设计中，压力传感器的输出电压范围很小，需要分辨率nV级。在这种情况下，将传感器输出信号发送到ADC信号必须在输入前放大。为了防止 在放大阶段引入误差时，需要选择低失调电压(VOS)、低温漂的低噪声放大器。惠斯通电桥的缺点是共模电压远大于有用信号。这意味着LNA还必须有很高的水平 共模抑制比(CMRR)，通常大于100dB。若采用单端ADC，在数据采集之前，需要消除附加电路的高共模电压。另外，由于信号带宽窄，放大器 1/f噪声也会导致误差。因此，最好使用斩波稳定放大器。使用分辨率很高ADC，占用全范围的一小部分有助于降低对放大器的苛刻要求。
激励
高精度、稳定的电压或电流源通常用作压力传感器的激励。压力传感器的输出与激励源成比例(通常是mV/V表示)。因此，程中，模具/数转换器和激励电路通常采用公共基准或激励电压ADC基准。可使用附加的ADC激励电压通道精确测量。
传感器/电桥
这部分信号链路的功能包括应力传感器，它放置在测压元件(惠斯通电桥设计)部分，如上述概述部分。
采集-ADC
选择ADC其技术指标，如无噪声范围或有效分辨率，应严格确认ADC能够识别固定输入电平的能力。替代指标是无噪声计数或编制 代码。大多数高精度ADC数据将这些指标表示为噪声峰值或RMS 这些指标有时以噪声直方图的形式表示噪声的形式表示。
其他需要考虑的事情ADC该指标包括：低失调误差、低温漂移和优良的线性度。速度与功耗之间的关系也是特定低功耗应用常重要的规格。
信号调理/集成方案
一些集成方案将所有所需的功能模块集成到单个芯片中，通常称为传感器信号调节器IC。信号调节器是一种特殊的信号调节器IC (ASIC)，补偿、放大和校准输入信号，可覆盖较宽的温度范围。根据信号调节器的不同精度要求，ASIC压力传感器激励电路、数/模转换器将集成以下全部或部分模块(DAC)、可编程增益放大器(PGA)、模/数转换器(ADC)、存储器，多路复用器(MUX)、CPU、温度传感器和数字接口。
常见的信号调节器有两种类型：模拟信号通路调节器（模拟调节器）和数字信号通路调节器（数字调节器）。模拟调节器响应时间快，提供连续输送 反映输入信号实时变化的信号。它们通常采用硬件补偿机制(不够灵活)。由于数字调理器通常是基于微控制器的ADC和DSP算法有一定的执行时间和响应 时间较慢。应该考虑ADC尽量减少量化误差的分辨率。根据用户的应用，数字信号调理器最大的优点是提供灵活的补偿算法。
滤波
传感器信号的带宽一般较窄，对噪声敏感性较高。因此，通过滤波限制信号的带宽可以显著降低整体噪声。Σ-Δ ADC由于该架构提供了固有的过采样特性，因此可以简化噪声要求。
数字信号处理(DSP)-数字域
除了模拟信号调节外，还需要在数字域进一步处理收集到的信号，以提取信号并降低噪音。通常需要找到具体应用程序和细微差异的算法。一些通用算法，如数字域紊乱和增益校准、线性处理、数字滤波器和基于温度（或其他限制因素）的补偿。