隨著電子計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、自動(dòng)控制等技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)傳感器的需求不斷增加。而物聯(lián)網(wǎng)的逐漸興起，傳感器的應(yīng)用將成爆發(fā)式增長(zhǎng)。有人說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)就是感知網(wǎng)，每一個(gè)傳感器就是一個(gè)信息源。這里的傳感器就是將各種被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電氣量的裝置，比如將溫度、壓力、流量等物理量轉(zhuǎn)換成電壓的傳感器。傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)。它是以一定的精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種量值的測(cè)量裝置。

傳感器的零點(diǎn)偏移就是，在被測(cè)量的物理量是零的時(shí)候，其輸出不是零。零點(diǎn)偏移的原因，一部分是傳感器制造過(guò)程中形成的產(chǎn)品參數(shù)的分散性;另一部分是使用時(shí)環(huán)境因素造成的參數(shù)改變，比如溫度、濕度、氣壓和電磁場(chǎng)等的影響。

傳感器由于各種原因引起的零點(diǎn)偏移和非線性變化都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。為了消除這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，人們采取了許多辦法。這些辦法各有千秋，本文重點(diǎn)討論一種新的零點(diǎn)偏移的消除方法。

1  總體設(shè)計(jì)

一般傳感器的輸出信號(hào)都要經(jīng)過(guò)放大，再送到ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送到微機(jī)進(jìn)行處理,最后才將處理后的數(shù)據(jù)送到需要的地方。圖1所示是一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1  一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

一般的傳感器都會(huì)有零點(diǎn)偏移。零點(diǎn)偏移可以分為大偏移和小偏移。暫且把偏移量在額定輸出的10%以內(nèi)看做小偏移，而大于10%的可以看成大偏移。大偏移如果不及早消除，還會(huì)在后面的放大器中出現(xiàn),從而使放大器的輸出超過(guò)動(dòng)態(tài)范圍，造成失真,只好減小放大倍數(shù)。這樣，經(jīng)過(guò)一定位數(shù)的ADC將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，還應(yīng)扣除這一部分零點(diǎn)偏移的數(shù)量，這將使有用信號(hào)分辨率降低。而采用更高分辨率的ADC,又會(huì)使成本增加。消除零點(diǎn)偏移的最好辦法是在信號(hào)幅度比較小的時(shí)候進(jìn)行。這個(gè)比較小是與放大電路的動(dòng)態(tài)范圍相比較的。

基于以上思路設(shè)計(jì)的傳感器自動(dòng)調(diào)零電路如圖2所示。該電路先將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行一次放大，然后消除零點(diǎn)偏移，之后再次放大到ADC電路所需要的幅度，或者達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)幅值。

圖2  帶自動(dòng)調(diào)零的數(shù)據(jù)采集通道框圖

零點(diǎn)偏移的消除方法是,在傳感器的輸入量為零的情況下，用微機(jī)測(cè)量ADC的輸出值，同時(shí)計(jì)算出傳感器（經(jīng)放大器1放大的）輸出的偏差的大小和正負(fù)，然后控制偏差電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)與所計(jì)算偏差大小相等方向相反的補(bǔ)償電壓，以抵消傳感器出現(xiàn)的零點(diǎn)偏移。

這里的消除零點(diǎn)偏移，也可能是徹底消除，這是最好的結(jié)果。也可能是絕大部分消除，但還有很小的偏差，只對(duì)放大器的動(dòng)態(tài)范圍影響很小，經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，可再由微機(jī)軟件來(lái)消除。大多數(shù)情況下都會(huì)采用后一種方法。因?yàn)榉糯笃鞅旧硪矔?huì)受各種因素影響產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。這些漂移也是需要處理的。許多情況下，傳感器的非線性補(bǔ)償也是在微機(jī)中利用軟件來(lái)進(jìn)行。

2  緩沖放大電路

圖2中的放大器1主要起緩沖作用。要采用輸入阻抗高且共模抑制比高的放大電路來(lái)?yè)?dān)當(dāng),一般可采用高性能儀表放大器。圖3所示是采用AD620儀表放大器的傳感器放大電路。

圖3采用AD620的傳感器放大器1

電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器是一種將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的機(jī)電元件,可廣泛應(yīng)用于電子稱(chēng)重領(lǐng)域，以及自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域等,是稱(chēng)重和檢測(cè)系統(tǒng)的核心元器件之一。

該電路選用的儀表放大器芯片AD62O,具有高的共模抑制比,且具有低噪音、低輸入偏置電流和低功耗特性，工作電源范圍為±2.3?士18V。該電路僅需一個(gè)外接電阻RG即可得到1?1000內(nèi)的任意增益范圍，增益G=49.4kfl/RG+l₀放大后的信號(hào)再送給下一級(jí)處理。（本電路節(jié)選自ADI公司的放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)）

3  補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路

圖2中的補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路模塊的具體電路如圖4所示。

圖4  補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路

該電路由正負(fù)電壓產(chǎn)生電路、限幅電路和幅度調(diào)節(jié)電路等幾部份組成。比較器的同相輸入端接一個(gè)固定的電壓（約1.7V），反相輸入端接微機(jī)的一個(gè)輸出口（K2）。當(dāng)該端口線輸出高電平時(shí)（大于1.7V）,比較器輸出負(fù)電壓，當(dāng)該端口線輸出低電平時(shí)（小于1.7V）,比較器輸出正電壓。就是說(shuō)，由微機(jī)來(lái)控制其產(chǎn)生正（或負(fù)）電壓。產(chǎn)生的電壓由一對(duì)反并聯(lián)的二極管實(shí)現(xiàn)限幅，其輸出電壓被限制在一0.7~+0.7V之間。這個(gè)電壓再經(jīng)過(guò)一個(gè)電位器調(diào)節(jié)，就可以輸出一個(gè)比較小的固定電壓（比如25毫伏）送給DAC0832的VREF端。DAC0832本來(lái)是做數(shù)模轉(zhuǎn)換器使用的，其輸出與參考電壓Vg成正比，也與數(shù)據(jù)量D7?D0的數(shù)值成正比山」。利用這一特性可將電位器產(chǎn)生的固定電壓送給DAC的VREF,以使其輸出在微機(jī)給出的數(shù)字量的控制下進(jìn)一步衰減。DAC0832的輸出端接運(yùn)放LM324,可將電流轉(zhuǎn)換成電壓，形成最終的偏差補(bǔ)償輸出電壓。

圖4中，補(bǔ)償控制端K1的作用是控制調(diào)零所需數(shù)字量（D7?D0）是否允許輸入DAC0832,當(dāng)K1為。時(shí)，允許來(lái)自微機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)入DACO832,K1為1則不允許。進(jìn)入DAC0832的數(shù)據(jù)將保存在內(nèi)部寄存器中并立即影響輸出，直到重新進(jìn)入新的數(shù)據(jù)。圖4中的K1、K2、D7?D0均來(lái)自微機(jī)。

4  求和放大電路

圖2中的放大器2也是一個(gè)運(yùn)算放大器，其典型的電路連接方法如圖5所示。

圖5  帶信號(hào)疊加的放大器2

圖5中電路仍釆用AD620,由于AD62O的優(yōu)良性能「頃，可以對(duì)來(lái)自放大器1和偏差補(bǔ)償電路的2路信號(hào)求代數(shù)和,然后進(jìn)行精確放大。圖5中是放大倍數(shù)設(shè)置電阻，可以根據(jù)R,需要調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)為

以上數(shù)據(jù)采集通道還需要在具體應(yīng)用過(guò)程中根據(jù)具體情況加以完善，比如抗干擾和濾波等環(huán)節(jié)。

5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)零電路的好處是可以在即將進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候進(jìn)行一次自動(dòng)調(diào)零，這時(shí)候的調(diào)零是測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境下，適應(yīng)環(huán)境的一個(gè)過(guò)程。因?yàn)檫@里的調(diào)零已經(jīng)把環(huán)境引起的零點(diǎn)偏移一起消除了。

本文設(shè)計(jì)的傳感器自動(dòng)調(diào)零電路是在微機(jī)的控制下自動(dòng)進(jìn)行調(diào)零，因而比一些組合邏輯電路設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)零電路更加完善和更加智能化。在傳感器調(diào)零之后，它還可以進(jìn)行更加精確的軟件調(diào)零，同時(shí)進(jìn)行非線性補(bǔ)償。本電路現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用在某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上。事實(shí)上，今后還可以對(duì)放大器進(jìn)行改進(jìn)，利用微機(jī)控制放大倍數(shù)，自動(dòng)改變量程。