傳感器的信號調(diào)節(jié)技術(shù)

對三運放I A 結(jié)構(gòu)可以做一個類似的分析( 圖5) 。同樣， 省略對三運放IA以及前述項的嚴(yán)謹(jǐn)全電路分析，雙運放IA的結(jié)果也很好地適用在這里，即，為獲得最大動態(tài)范圍，輸出基準(zhǔn)電壓要設(shè)定在AMP1和AMP2的輸出電壓擺幅的中間(式1)。

電路增益的表達(dá)式與雙運放IA形式相同(式2)。測得的電路輸出電壓是針對VREF，VREF設(shè)計在AMP1 和AMP2的輸出電壓擺幅中間；而可以加給三運放IA的最大差分輸入電壓則由式2決定。

另一個實際例子中，設(shè)計者采用了一只Touchstone半導(dǎo)體公司的TS10040.6μA四運放，搭建一個2.5V電源、增益為50的三運放IA。從TS1004的數(shù)據(jù)表中可查到其在100kΩ負(fù)載時的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格分別為2.498V和0.001V。用式1，輸出級由一個為(2.498V+0.001V)/2=1.249V的VREF偏置， 以獲得最大輸出動態(tài)范圍， 避免輸出級的飽和。在所述50 增益時， 為避免輸出級飽和而能夠施加的最大差分輸入電壓為( 2.498V + 0.001V )/( 2×50 )，約25mV。

能量采集

凌利爾特公司電源產(chǎn)品營銷總監(jiān)TonyArmstrong描述了用可再生能源為遠(yuǎn)程無線結(jié)點供電的情況，只要有正確的采集、電源管理與電池充電設(shè)備，就可以高效地獲得能源(見附文：“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集更多真實數(shù)據(jù)服務(wù)于更多公用事業(yè)設(shè)施”)?？稍偕茉凑跒槟茉崔D(zhuǎn)換和現(xiàn)有能源的更高效使用提供廣泛的機會，也為能源采集器件提供了一個機會，幫助為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供電能。這些無線傳感器已普遍用于樓宇自動化和前瞻性維護(hù)應(yīng)用。

Armstrong指出，能源采集的傳統(tǒng)方式是通過太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機，但新出現(xiàn)的能源采集工具能夠從各種環(huán)境源中產(chǎn)生電能。例如，熱電發(fā)電機將熱能轉(zhuǎn)化為電能，壓電元件轉(zhuǎn)換機械振動，光伏電池轉(zhuǎn)換太陽光(或任何光子源)，而電化法是從濕度獲得能量。這樣就能夠為遠(yuǎn)處的傳感器提供電源，或為某種存儲設(shè)備充電，如電容或薄膜電池。于是，遠(yuǎn)方地點的微處理器或發(fā)射器就有電能供應(yīng)，而無需在當(dāng)?shù)卦O(shè)立電源。

凌利爾特公司的能源采集產(chǎn)品提供了各種解決方案(表1)。各系列產(chǎn)品的規(guī)格各不相同，但該公司大力宣傳的是小于6μA、最低可至450nA的典型靜態(tài)電流，起動電壓低至20mV，輸入電壓能夠達(dá)到連續(xù)34V，40V瞬態(tài)，還能處理交流輸入，具有多輸出能力和自動的系統(tǒng)電源管理功能，自動極性轉(zhuǎn)換，對太陽能輸入的最高功率點控制，可從小到1度溫差中獲取能源的能力，以及緊湊的解決方案體積。

由于太陽能的功率是變化不定的，幾乎所有太陽能供電設(shè)備都要使用可充電電池。顯然，其目標(biāo)是獲得盡可能多的太陽能源，為這些電池快速充電，以維持它們的充電狀態(tài)。

雖然太陽能電池天生就是轉(zhuǎn)換效率低的設(shè)備，但它們也有一個最大輸出功率點，因此在這個點上工作就是一個明確的設(shè)計目標(biāo)。Armstrong發(fā)現(xiàn)，問題是最大輸出功率的IV特性會隨光照而改變。單晶硅太陽能電池的輸出電流與光強度成正比，而在最大功率輸出時的電壓卻相對恒定。確定光強度下的最大功率輸出發(fā)生在每個曲線的拐點處，此時，太陽電池從一個恒壓設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€恒流設(shè)備(圖6)。

因此，一個能從太陽能板高效獲得能量的充電器設(shè)計，必須能在光照水平無法滿足充電器滿功率需求時，將太陽能板的輸出電壓控制在最大功率點。凌利爾特公司針對太陽能應(yīng)用的LT3652多化學(xué)種類2A電池充電器采用了一個輸入穩(wěn)壓回路，通過一個簡單的分壓網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)輸入電壓跌到一個預(yù)設(shè)的電平以下時，會減小充電電流。當(dāng)用太陽能板供電時，輸入穩(wěn)壓回路可將太陽能板維持在接近峰值輸出水平。

集成的AFE方案

完整的傳感器解決方案需要解決傳感器驅(qū)動與輸出需求、采樣速率、信號路徑校正、性能、傳感器診斷，以及功耗需求等問題。簡化開發(fā)周期以及減少開發(fā)時間，可能意味著更快地進(jìn)入市場，每年做出更多的設(shè)計。不過， 大多數(shù)現(xiàn)行方案只解決了其中少數(shù)問題， 用分立元件開發(fā)既耗時又復(fù)雜。

德州儀器公司的可配置傳感器AFE ( 模擬前端) IC 與WebenchSensor AFE Designer是一個集成化軟硬件開發(fā)平臺的組成部分，工程師可以用它來選擇傳感器， 設(shè)計并配置解決方案， 然后幾分鐘之內(nèi)就能下載配置。工程師可以在線或在工作臺上立即評估整個信號路徑解決方案。

在食品加工、水質(zhì)量管理以及化學(xué)處理等行業(yè)的精確pH值測量中面臨著一些設(shè)計挑戰(zhàn)， 包括極端溫度變化、高輸出阻抗、偏移以及漂移等。TI稱它的LMP91200可配置AFE提供了一個集成pH傳感器的AFE電路，可與所有現(xiàn)有pH傳感器連接，是傳感器與微處理器之間的橋梁( 圖7)，它以一個集成化的小尺寸解決了這些設(shè)計挑戰(zhàn)。

另外， TI 的LMP91050NDIR( 非分光紅外) 氣體檢測AFE 也支持多個溫差電堆傳感器，用于NDIR檢測、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測、按需控制的通風(fēng)、HVAC、飲酒呼氣分析、溫室氣體監(jiān)測， 以及氟里昂檢測等(圖8)。

附文：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集更多真實數(shù)據(jù)服務(wù)于更多公用事業(yè)設(shè)施

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( WSN )正在改變信息收集的方式，使我們更容易從現(xiàn)實世界獲取更多的數(shù)據(jù)。部署一個有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本通常是傳感器本身成本的10~10 0 倍。據(jù)凌利爾特公司塵埃網(wǎng)產(chǎn)品部集團(tuán)總裁Joy Weiss稱，WSN的實際價值在于，你可以把一只傳感器放到任何地方，不僅是已經(jīng)有電源線和通信線路的地方，還包括任何想要測量或為一個系統(tǒng)增加控制點的地方。

Weiss舉了下面這些因WSN而實現(xiàn)的應(yīng)用例子：

Vigilent根據(jù)其M3閉路控制技術(shù)，提供智能能源管理系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)中心、電信公司以及大型商用建筑。為了收集整個數(shù)據(jù)中心必要的溫度和濕度數(shù)據(jù)，傳感器要做廣泛和高密度的分布。然而，對數(shù)據(jù)中心來說，對通信布線和電源布線做翻新是不現(xiàn)實的，成本高昂。Vigilent采用無線傳感器結(jié)點解決了這些問題。Vigilent為自己的產(chǎn)品選擇了凌利爾特公司的DustNetworks SmartMesh解決方案，認(rèn)為它是低功耗、高可靠性和強大安全性的關(guān)鍵成功要素。

Emerson Process Management幫助實現(xiàn)化學(xué)品、油氣、煉油、紙漿造紙、電力、水與廢水處理、金屬采礦、食品飲料、生命科學(xué)以及其它行業(yè)的生產(chǎn)、加工和配送的自動化。Emerson的Smart Wireless產(chǎn)品與解決方案基于IEC 62591無線標(biāo)準(zhǔn)，采用了凌利爾特/Dust的SmartMeshWirelessHART產(chǎn)品，擴展了預(yù)測智能，超出了以前的物理與經(jīng)濟(jì)性范圍。

Streetline為城市、車庫、機場、大學(xué)以及其它泊車商提供智能泊車解決方案(如圖所示)，目標(biāo)是通過采用傳感器的移動與Web應(yīng)用，使智能城市成為現(xiàn)實。Streetline需要一個足夠強健的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，它能在嚴(yán)酷和動態(tài)變化的街面情況下工作，街道可能既廣又密，可能數(shù)年時間不能更換電池。Streetline的智能泊車解決方案在一個覆蓋整個好萊塢/洛杉磯區(qū)的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中采用了凌利爾特/Dust的SmartMesh技術(shù)。人行道里預(yù)埋的無線傳感器可跟蹤空出來的泊車位,然后將信息以無線方式發(fā)送給智能手機用戶。