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、加速度、霍爾IC等。在使用傳感器的過程中，由于敏感元件的輸出信號通常較為微弱，需要經(jīng)過放大處理。這一過程往往會引入誤差，進而影響測量精度。本文列舉并分析了一些在信號調(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。這樣便可提高測量軸承中接觸點溫度變化的準確性和靈敏度。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。在使用熱電偶時還會遇到其它電路問題，如熱電偶的連接需要保護電路等。在使用K型的情況下，在1250度范圍內(nèi)獲得±1.1℃的測量精度，誤差包括運算放大器的輸入漂移和0.25至0.5℃的熱電偶非線性誤差。

另外在小信號處理電路中，由放大器帶來的噪聲是不可避免的，事實上這將決定系統(tǒng)可能實現(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測量精度的影響。

(1) 參考電壓誤差

參考電壓是用來與實際測量值進行比較的，因此這個參考電壓的實際值非常重要，需要對參考電壓進行周期性校準或軟件校準以修正這個基本的測量誤差。而且，精心設(shè)計的參考電壓可以用來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100ppm/℃的溫度系數(shù)的誤差會到2500ppm，或滿量程范圍的0.25%。

(2) 放大器誤差

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

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

(3) 傳感器誤差

傳感器因為加工工藝的原因，不可能達到理想狀態(tài)，會產(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)過程中進行線性校準，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產(chǎn)生的，通過惠斯頓電橋產(chǎn)生一種比例式測量方法，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稱，故仍然會有偏置電壓產(chǎn)生。

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

(4) 噪聲影響

噪聲有許多來源，包括來自附近高速數(shù)字邏輯電路、電源、風(fēng)扇電機、電磁閥和射頻EMI的耦合噪聲。可以通過合適的接地設(shè)計、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算放大器?？筛鶕?jù)引入的噪聲大小評價運算放大器，噪聲量根據(jù)對不受限制帶寬(寬頻帶)或確定帶寬上的信號的測量值來確定。

以下是TE MS4525壓力傳感器在5VDC測試下的噪聲波形圖。

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，背景噪聲是可用測量精度的決定性因素。當(dāng)一個器件的額定分辨率為24位時，由于噪聲導(dǎo)致的局限性，通常轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的實際精度更低。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值計算出來的，極低噪聲值則是基于峰-峰值，通常相當(dāng)于統(tǒng)計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)手冊上所承諾的與實際比值可能有相當(dāng)大的差異。

運算放大器

對于放大器而言，同時實現(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到同樣的范圍。所有的半導(dǎo)體放大器都會有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，在一個特定的噪聲拐點以下，噪聲密度將呈指數(shù)增加，而且在低頻時變得有非常大。很少有放大器能低成本地以單芯片實現(xiàn)這種低噪聲和高增益的組合特性。

為了實現(xiàn)低噪聲和高增益，可以設(shè)計混合的多放大器電路，采用一種具有高輸入阻抗、輸入糾錯電路和第二個(或第三個)補償放大器的輸入放大器組合，以實現(xiàn)所需的增益。集中于一個參數(shù)的放大器經(jīng)常在其他方面帶來嚴重的問題。