2020年05月20日

文章來源

Macnica Engineer

考慮各種模擬傳感器輸入的面向IoT的模擬電路設計

IoT時代多種多樣的傳感器

我們身邊的產品使用了各種各樣的傳感器。近些年來，物聯網的熱點領域顯示了傳感器的多種用途。

傳感器應用
工廠：收集並分析機床上安裝的振動傳感器等訊息。應用於遠端監視和預知保全等
農業：收集溫度、濕度、土壤水分含量等訊息進行分析。靈活運用於澆水的頻度、肥料的時機等的調整
保健：收集心跳等身體訊息,用於判斷健康狀態

在這裡,如果感測器的輸出是統一的話就輕鬆了,當然情況不是那樣。

如果是模塊型的話,也有數字輸出,即使是類比的,振幅不同,差動/單一輸出,輸出阻抗不同等,根據傳感器的不同,輸出方法也不同。

收集傳感器訊息的終端設備中有用於獲得傳感器訊息的模擬輸入,這個部分的設計要怎麼做才好? 當然如果傳感器已經決定了的話就簡單了。只要按照那個製作就可以了。

另外，也確實存在有可能連接各種感測器的終端設備。如果是這種情況要怎麼辦才好?

首先考慮振幅不同的模擬傳感器輸入。
基本上是調整作為運算放大器基礎的運算放大器的放大電路。

傳感器輸入信號放大電路一例

也就是說,放大率是由上述的R1和R2的比決定的,所以只要調整這個電阻,就可以應對各種振幅的輸入。
因為可以通過軟體改變電阻,量產時會比較輕鬆,所以使用數字電位器比較好。
美國Analog Devices公司準備了各種類型的數字電位器, 請參考。

另外也可以考慮排列電阻,用模擬開關選擇使用的電阻的方法。但是,不管怎樣,必須要考慮電阻值的選定、電阻的偏差的考慮、佈局的考慮等各種事情是事實。雖說是簡單的電路,但考慮的事情也不少。

在這裡介紹一種更簡單的方法。

Analog Devices公司提供参考电路CFTL(Circuits from the Lab)。
簡單地說CFTL是為了實現某種功能的參考電路集,但是那個電路不僅是桌上,實際上作為評價板被提供,那個電路圖和佈局訊息,甚至實驗資料等也一起被提供。使用者可以直接使用一部分或全部有工作實績的電路。

這次的用途可以使用叫做CN0385的CFTL。框圖如下所示。

CN0385 框圖

簡單說明信號線的構成。

特别是AD8251帶有PGA(Programmable Gain Amp),可以對應各種振幅的模擬輸入。具體來說,可以對應一般的以下輸入範圍。

AD8251的可程式設計輸入範圍

如果使用CN0385的話,振幅的問題就可以解決,而且還可以進行AD轉換器和絕緣。
當然,如果不需要如此高精度的AD轉換器,也可以替換,如果不需要絕緣,那部分也可以不用。
我們認為,通過使用具有實際成果的CFTL,可以大大縮短設計週期。

即使振幅的問題能夠解決,也存在其他各種各樣的模擬感測器輸出。下面是一些想法。

是指光電二極管的輸出,或者有"請使用不受附帶護罩的噪音影響的電纜"這樣的注意事項的傳感器。在這種情況下,必須在初級階段使用"低偏壓"放大器。
ADA4610等低偏壓的運算放大器最好配置在第一層。

這個有點棘手。有怎樣處理0點保證的電路等的問題。當然也可以製作成熱電偶專用的,但如果可能的話,希望能製作成通用的。Analog Devices公司準備了熱電偶專用的放大器,可以根據熱電偶的種類等分別使用AD8494/95/96/97。

測力計輸入等是非常微小的振幅。增益有時必須是100倍以上,所以上述介紹的CN0385也不能對應。高增益的情況下,因為補償也要加上增益,所以"低補償"是關鍵字。
我推薦ADA4638等斬波型的可以取消偏移類型的放大器。

電流輸入一般是通過電阻等轉換成電壓輸入的。

需要電流源和AC結合的電路。

如上所述,根據用途不同,可以使用的放大器也不同,所以目前僅靠軟件配置很難應對各種模擬輸入。
其中,通過使用通用封裝(如SOIC8引腳等),只需更換IC即可解決問題(如在CN0385的前段準備SOIC8引腳用圖案,根據傳感器選擇IC等)。

雖然能夠連接所有模擬傳感器的萬能產品相當困難, 但Analog Devices公司CFTL的參考電路和多彩的模擬產品線大部分都能跟進,希望這些資訊有所幫助。

Macnica使用Circuits from the Lab參考設計開發了原創產品(Analog Sensor Terminal)。Analog Sensor Terminal可以連接各種模擬傳感器,是一種能夠很容易地發送到電腦和網關的裝置。由此，豐富的CPU能力也有邊緣計算的潛在的可能性。

系統構成示例