传感器健康监测器和有源屏蔽驱动应用范例
传感器健康监测器
桥式传感器使用四个匹配的电阻性元件来构建平衡的差分电路。电桥可以是分立电阻和电阻性传感器的组合，用于四分之一桥、半桥和全桥应用。电桥由位于两个支路上的低噪声、高准确度电压基准源驱动。另两个支路是差分信号，其输出电压变化与被感测环境的变化相似。在桥式电路中，差分信号的共模电压是电桥激发源的“中点”电位电压。例如，在使用+5V基准源作为激发源的单电源系统中，共模电压为+2.5V。
传感器健康监测的概念是跟踪数据采集系统中的电桥阻抗。环境中的变化、随着时间的推移而产生的磨损或发生故障的桥式电阻性元件会使电桥失衡，造成测量误差。由于电桥差分输出共模电压是激发电压的一半，所以可通过测量该共模电压来监测传感器的阻抗健康（见图5）。通过周期性地监测电桥的共模电压，我们能够了解传感器的健康状况。
图5. 传感器健康监测应用电路图
有源屏蔽驱动
远离信号调理电路的传感器在工作时会受到嘈杂环境的影响，从而减小进入放大器的信噪比。差分信号传输和屏蔽电缆是用于减小灵敏信号线路噪声的两种技术。减小仪表放大器无法抑制的噪声（高频噪声或超出供电轨的共模电压电平）可提高测量准确度。屏蔽电缆可提供卓越的信号线路噪声耦合抑制功能。然而，电缆阻抗失配会导致共模误差进入放大器。驱动电缆屏蔽至低阻抗电位可减少阻抗失配。电缆屏蔽通常连接至机壳接地端，因为它是一个非常好的低阻抗点且易于操作。这种做法对双电源应用非常有效，但对单电源放大器，这可能并不总是连接屏蔽的最佳电位电压。
在某些数据采集系统中，传感器信号放大器使用双路供电电压（±2.5V）。将屏蔽连接至模拟接地端（0V）会将屏蔽的共模电压恰好放置于偏置电源中点，亦即放大器CMR性能最佳的位置。随着单路电源放大器（5V）渐渐成为传感器放大器的更受欢迎的选择，将屏蔽连接于0V位置的方法目前是连接于放大器的较低电源轨，这通常是CMR性能会出现下降的共模电压。将屏蔽连接至中点供电电压值的共模电压会使放大器以最佳CMR性能工作。
改善屏蔽驱动的另一个解决方案是使用ISL2853x和ISL2863x的VA+和VA-引脚，来感测共模电压并驱动屏蔽至该电压（见图6）。使用VA+和VA-引脚可产生输入共模电压的低阻抗基准源。驱动屏蔽至输入共模电压，可减小电缆阻抗失配和提升单电源传感器应用的CMR性能。对屏蔽驱动电路的进一步缓冲，可使用ISL2853x产品上的附加未使用运算放大器，从而消除对添加外部放大器的需求。
图6. 有源屏蔽应用电路图
结论
仪表放大器是众多传感器应用的理想电路选择，但是可选择的合适放大器如同被测量的不同传感器一样数量庞大。市场上的最新INA已经具有许多优点。用户也一如既往地需要在性能和价格之间进行权衡。如果应用是针对高精密INA，那么ISL2853x 和ISL2863x就是理想的解决方案。
这些放大器提供轨到轨输入和输出，以便既保证最大动态范围又不使输入级达到饱和。它们是提供自动失调电压校正和降噪的零漂移放大器，具有5nV/°C的极低失调电压漂移和低1/F噪声（转角频率降至低于1Hz）。输入端具有用于EMI敏感应用的RFI输入滤波器，同时集成了用于前端增益级和差分第二级的精密匹配电阻，从而提供非常低的增益误差（±0.05%）和卓越的CMR（138dB）。
精密性能使这些放大器非常适合模拟传感器前端、仪表和数据采集应用，如需要非常低噪声和高动态范围的称重装置、流量传感器和分流器电流感测。
关于作者
Don LaFontaine是Intersil公司精密产品线的高级首席应用工程师，工作地点在佛罗里达州棕榈湾。他在工程领域的工作重点是精密模拟产品。他拥有南佛罗里达大学的电子工程学士学位（BSEE）。
