靈活的傳感器信號調理和安全傳輸

靈活的傳感器信號調理和安全傳輸

單芯片傳感器信號調理器集成附加功能提供靈活的信號調理

專業的傳感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,傳感器的信號質量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于集成的電子輸出級。

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。使用下面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于線性和旋轉編碼器、AMR傳感器和光學傳感器的信號預處理,來滿足工業應用的要求。

信號的質量和錯誤保護是決定性的

為達到最佳的適應和評估各種傳感器元件,例如,用來測量溫度、壓力/壓強、加速度、位置或光強度,需要一個儀表放大器來提供一個必要的放大。儀表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傳感器信號。它也必須具有補償能力來補償由于生產引起的制造偏差。在信號調理級,應該考慮到由溫度或溫度漂移以及泄露、抑制引起的非線性影響,還要避免噪聲或在傳感器感應的干擾。傳感器橋陣列(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質量。當需要在信號通道定位可能的信號錯誤源時,考慮下面的這些可能性:

 1、檢查線路斷路或者短路

 2、在傳感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、超出最大工作溫度范圍

一個個冗余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,但傳感器信號電纜的成本將會加倍。一個好的折中是以傳感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傳感器監控功能來提供各種診斷功能,包括識別傳感器焊接和線纜失效以及溫度監控。關于傳輸傳感器信號,一個供替代的選擇是在信號調理之后立即數字化這些值,然后使用安全的數字協議傳輸它們。為了達到較高的測量分辨率,每個傳感器需要一個ADC,而這將涉及到更高的使用復雜的現場總線協議的成本。

 

簡單的電壓信號(例如,0-10V)或者電流信號(例如,4-20mA)接口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,差分傳輸使得傳感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。采用這些建議,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范圍可由間隔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:傳感器信號調理通路

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,連接到傳感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輸出一個低電平標志產生了一個傳感器斷開事件。

 

自動溫度補償

  溫度錯誤通常在傳感器部分沒有補償,但會在中心計算機、微控制器、PLC或者驅動器補償。溫度直接由傳感器測量并且作為一附加參數被傳輸。作為一種選擇,溫度可以在傳感器部分測量,用來限制監控和執行本地補償。后面的這種方法基于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的范圍,包括最低值0和最高值255。使用集成的溫度傳感器,這相當于-50℃到150℃的范圍。然而,兩點距離之間的溫度傳感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里,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表格里。這個例子如圖2所示,七個定義好的差補細分點用于溫度補償來矯正所連接的傳感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

一個外部溫度傳感器也可以被連接到iC-TW3,此傳感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計算機來調理

  iC-TW3由一個雙向的脈寬調制1-線接口來讀/寫訪問所有的寄存器,如同連接的參數存儲器件(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,如果是密封的傳感器補償,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,它可以連接到普通計算機或者筆記本電腦的USB接口。圖3描述了iC-TW3的圖形用戶界面用于調理信號通路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)和傳感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件立即寫入iC-TW3連接的EEPROM。當前iC-TW3的測量溫度、EEPROM校驗和報警、超溫和傳感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,用于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。自動偏置補償周期信號,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菜單選擇所有的傳感器信號通道。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征(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接口調理信號用于開發和生產

傳感器橋應用

  圖4是一個運動傳感器電路圖,通過磁或者光傳感器橋掃描兩個差分軌道,然后調理這些周期的正弦/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,一個索引傳感器信號可以經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接口影響,以至于它的邏輯可驗證性,確保應用電路的功能安全。在接收器部分調理過的傳感器信號也可以使用一個非常高的分辨率數字化,使得線纜短路和斷路在接收器部分能容易的被識別。

圖4:運動傳感器帶正弦/余弦信號調理和差分模擬傳輸

上電后,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-線接口訪問它,允許重新補償或者改變工作模式。然后,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校驗錯誤或者傳感器器件連接線斷開),NERR輸出被激活。這個報警然后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,磁傳感器橋或者光信號被iC-MSB用iC-TW3相似的方法放大和調理。在線纜帶100Ω的終端電阻,iC-SMB提供一個擺率為1Vpp值并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于關鍵性安全應用

由上所述,傳感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。

  

上傳時間:2013-07-16
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