信號(hào)轉(zhuǎn)換器[實(shí)用新型專利] 第1張" title="傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換：一種傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器[實(shí)用新型專利] 第1張-傳感器知識(shí)網(wǎng)"/>
傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換：一種傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器[實(shí)用新型專利]
專利內(nèi)容由知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社提供
摘要：
本實(shí)用新型公開(kāi)了一種傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，包括外殼和電路板，電路板位于外殼的中
部，外殼的兩端分別設(shè)置輸入端口和輸出端口；電路板上設(shè)置有微處理器以及分別與微處理器相連接
的RS485轉(zhuǎn)換電路、RS232轉(zhuǎn)換電路、IIC轉(zhuǎn)換電路、SDI
?
12轉(zhuǎn)換電路、模擬電壓采集電路、模擬電
流采集電路、開(kāi)關(guān)電路和電源管理電路。本實(shí)用新型操作簡(jiǎn)單、攜帶方便，可支持多種類型的傳感
器，滿足了在現(xiàn)場(chǎng)多種信號(hào)類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集的需求；提高了使用的擴(kuò)展性；模塊化的設(shè)計(jì)不僅為現(xiàn)
場(chǎng)原有系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)提供了很好的便捷性，同時(shí)也為外接設(shè)備提供電源，使得外接設(shè)備無(wú)需外部供
電便可接入系統(tǒng),能夠提高設(shè)備操作和維修的快捷性。
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傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換：傳感器信號(hào)通道 ｜ Maxim Integrated
壓力傳感器和稱重(加載/感應(yīng))
概述
在現(xiàn)代工業(yè)控制和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，通常需要監(jiān)測(cè)、測(cè)量壓力和重量。由于壓力可直接用來(lái)測(cè)量流體、高度及其它物理量，壓力測(cè)量尤其重要。由于加載是影響傳感器輸出的一項(xiàng)屬性，壓力、重量測(cè)量裝置可以看作是“加載傳感器”。加載傳感器的應(yīng)用非常廣泛，包括從真空計(jì)到重型機(jī)械稱重，以及工業(yè)液壓設(shè)備、絕對(duì)壓力傳感器(MAP)等各個(gè)領(lǐng)域。每種應(yīng)用對(duì)精度、準(zhǔn)確度和成本都有不同的具體需求。
雖然壓力和重量(加載/感應(yīng))的測(cè)量方法和技術(shù)有許多，但最常用的測(cè)量裝置是應(yīng)力計(jì)。
最常見(jiàn)的應(yīng)力計(jì)有兩種：一種是重量/壓力傳感器大多采用的金屬箔；另一種是基于半導(dǎo)體的壓阻式傳感器，廣泛用于壓力測(cè)量。相對(duì)于金屬箔傳感器，壓阻式傳感器靈敏度更高，線性度也更好，但容易受溫度的影響，并有一定的初始偏差。
從原理上講，所有應(yīng)力計(jì)在受到外力時(shí)都會(huì)改變電阻值。因此，有電信號(hào)激勵(lì)時(shí)，即可有效地將壓力、重量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。通常在惠斯通電橋(有時(shí)稱為測(cè)壓元件)上放置1個(gè)、2個(gè)或4個(gè)這樣的有源電阻元件(應(yīng)力計(jì))，從而產(chǎn)生與壓力或重量對(duì)應(yīng)的差分輸出電壓。
工程師可以設(shè)計(jì)一種能夠滿足多種加載/感應(yīng)系統(tǒng)需求的傳感器模塊。一款成功的設(shè)計(jì)需要包括用于檢測(cè)物理量的傳感器元件和設(shè)計(jì)合理的信號(hào)鏈路。
加載/感應(yīng)系統(tǒng)的信號(hào)鏈路框圖。
完備的信號(hào)鏈路方案
傳感器信號(hào)鏈路必須能夠處理帶有噪聲的弱信號(hào)。為了準(zhǔn)確測(cè)量電阻式傳感器輸出電壓的變化，電路必須具備以下功能：激勵(lì)、放大、濾波和采集。有些解決方案可能還要求采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、誤差補(bǔ)償、數(shù)字放大以及用戶可編程操作。
激勵(lì)
具有極低溫漂的高精度、穩(wěn)定的電壓或電流源常常用作傳感器激勵(lì)。傳感器輸出與激勵(lì)源成比例(往往以mV/V表示)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和激勵(lì)電路通常采用一個(gè)公共基準(zhǔn)，或者將激勵(lì)電壓作為ADC的基準(zhǔn)。可以利用附加的ADC通道精確測(cè)量激勵(lì)電壓。
傳感器/電橋
信號(hào)鏈路的這部分功能包括應(yīng)力傳感器，它被放置在測(cè)壓元件(惠斯通電橋設(shè)計(jì))部分，如上文中的“概述”部分。
放大和電平轉(zhuǎn)換—模擬前端(AFE)
有些設(shè)計(jì)中，傳感器輸出電壓范圍非常小，要求分辨率達(dá)到nV級(jí)。這種情況下，在將傳感器輸出信號(hào)送至ADC輸入之前，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。為了防止放大階段引入誤差，需要選擇低失調(diào)電壓(VOS)、低溫漂的低噪聲放大器(LNA)。惠斯通電橋的缺點(diǎn)是共模電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號(hào)。這意味著LNA還必須具有非常高的共模抑制比(CMRR)，通常大于100dB。如果采用單端ADC，則需附加電路在數(shù)據(jù)采集之前消除較高的共模電壓。此外，由于信號(hào)帶寬很窄，放大器的1/f噪聲也會(huì)引入誤差。因此，最好采用斬波穩(wěn)定放大器。使用分辨率非常高的ADC，占用滿量程范圍的一小部分有助于降低對(duì)放大器的苛刻要求。
采集—ADC
選擇ADC時(shí)需嚴(yán)格確認(rèn)其技術(shù)指標(biāo)，例如：無(wú)噪聲范圍或有效分辨率，該指標(biāo)表示ADC能夠辨別固定輸入電平的能力。一種替代指標(biāo)是無(wú)噪聲計(jì)數(shù)或編碼。大多數(shù)高精度ADC的數(shù)據(jù)資料把這些指標(biāo)表示為噪聲峰值或RMS噪聲與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，有時(shí)也以噪聲直方圖的形式表示這些指標(biāo)。
其它需要考慮的ADC指標(biāo)包括：低失調(diào)誤差、低溫漂及優(yōu)異的線性度。對(duì)于特定的低功耗應(yīng)用，速度與功耗的關(guān)系也是非常重要的規(guī)格。
濾波
傳感器信號(hào)的帶寬一般很窄，對(duì)噪聲的敏感度較高。因此，通過(guò)濾波限制信號(hào)的帶寬可顯著降低總體噪聲。利用Σ-Δ ADC能夠簡(jiǎn)化噪聲濾波要求，因?yàn)檫@種架構(gòu)提供固有的過(guò)采樣特性。
數(shù)字信號(hào)處理(DSP)—數(shù)字域
除模擬信號(hào)調(diào)理外，為了提取信號(hào)并降低噪聲，還需要在數(shù)字域?qū)λ杉男盘?hào)作進(jìn)一步處理。通常需要找到針對(duì)具體應(yīng)用及其細(xì)微差別的算法。有些通用算法，例如，數(shù)字域的失調(diào)和增益校準(zhǔn)、線性化處理、數(shù)字濾波和基于溫度(或其它制約因素)的補(bǔ)償。
信號(hào)調(diào)理/集成方案
有些集成方案把所有需要的功能模塊集成在單一芯片，通常稱為傳感器信號(hào)調(diào)理器IC。信號(hào)調(diào)理器是一種專用IC (ASIC)，它對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償、放大和校準(zhǔn)，能夠覆蓋較寬的溫度范圍。根據(jù)對(duì)信號(hào)調(diào)理器的不同精度要求，ASIC會(huì)集成以下全部或部分模塊：傳感器激勵(lì)電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、可編程增益放大器(PGA)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、存儲(chǔ)器、多路復(fù)用器(MUX)、CPU、溫度傳感器以及數(shù)字接口。
常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)理器有兩種類型：模擬信號(hào)通路的調(diào)理器(模擬調(diào)理器)和數(shù)字信號(hào)通路的調(diào)理器(數(shù)字調(diào)理器)。模擬調(diào)理器的響應(yīng)時(shí)間較快，提供連續(xù)的輸出信號(hào)，反映輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)變化。它們通常采用硬件補(bǔ)償機(jī)制(不夠靈活)。數(shù)字調(diào)理器往往基于微控制器，由于ADC和DSP算法具有一定的執(zhí)行時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間較慢。應(yīng)該考慮ADC的分辨率，將量化誤差降至最小。數(shù)字信號(hào)調(diào)理器的最大好處是提供靈活的補(bǔ)償算法，可根據(jù)用戶的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。
溫度檢測(cè)
概述
溫度檢測(cè)在工業(yè)系統(tǒng)中的主要作用表現(xiàn)在三個(gè)方面。
溫度控制，例如恒溫爐、冷凍箱和環(huán)境控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)測(cè)溫度判斷實(shí)施加熱/致冷操作。
校準(zhǔn)各種傳感器、振蕩器及其它經(jīng)常隨溫度變化的元件。由此，必須通過(guò)測(cè)量溫度確保敏感系統(tǒng)元件的精度。
保護(hù)元件和系統(tǒng)在極端溫度下不被損壞。溫度檢測(cè)決定所要采取的相應(yīng)措施。
熱敏電阻、RTD、熱電偶和IC是目前應(yīng)用最廣的溫度檢測(cè)技術(shù)。每種設(shè)計(jì)方案都有其自身的優(yōu)勢(shì)(例如成本、精度、測(cè)溫范圍)，適合不同的特定應(yīng)用。以下將逐一討論這些技術(shù)。
除提供業(yè)內(nèi)最全面的專用溫度傳感器IC外，Maxim還推出了系統(tǒng)與熱敏電阻、RTD及熱電偶接口所需的任何器件。
溫度檢測(cè)應(yīng)用的信號(hào)鏈路框圖。
熱敏電阻
熱敏電阻的阻值取決于溫度，一般由半導(dǎo)體材料制成，如金屬氧化物陶瓷或聚合物。應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)電阻，因此，熱敏電阻通常稱為NTC。同樣，也存在正溫度系數(shù)的熱敏電阻(PTC)。
熱敏電阻能夠測(cè)量中等溫度范圍，通常最高可達(dá)+150°C，有些熱敏電阻可以測(cè)量更高溫度；根據(jù)精度的不同，成本一般在中、低端；線性度雖然較差，但可預(yù)測(cè)。熱敏電阻可以是探頭、表貼封裝、裸線等不同形式的專用封裝。Maxim提供能夠?qū)崦綦娮枳柚缔D(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的IC，如MAX6682和MAX6698。
熱敏電阻往往連接一個(gè)或多個(gè)固定阻值電阻，形成分壓器。分壓器輸出通常經(jīng)過(guò)ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。利用查找表或通過(guò)計(jì)算對(duì)熱敏電阻的非線性進(jìn)行修正。
RTD
電阻溫度檢測(cè)器(RTD)是一種阻值隨溫度變化的電阻。鉑是最常見(jiàn)、精度最高的金屬絲材料。鉑RTD稱為Pt-RTD，鎳、銅及其它金屬亦可用來(lái)制造RTD。
RTD具有較寬的測(cè)溫范圍，最高達(dá)+750°C，具有較高精度和較好的可重復(fù)性，線性度適中。對(duì)于Pt-RTD，最常見(jiàn)的電阻值為：0°C時(shí)，標(biāo)稱值為100Ω或1kΩ，當(dāng)然也有其它電阻值。
RTD的信號(hào)調(diào)理可以非常簡(jiǎn)單：將RTD與一個(gè)精密的固定阻值電阻相連，構(gòu)成分壓器；也可以采用更復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理，尤其是在寬溫測(cè)量中。方案中通常包括：精密電流源、電壓基準(zhǔn)和高分辨率ADC，如圖1所示。利用查找表或通過(guò)計(jì)算、外部線性化處理電路對(duì)傳感器進(jìn)行線性化調(diào)整。
圖1. RTD信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)化圖
熱電偶
熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。金屬絲之間的觸點(diǎn)所產(chǎn)生的電壓與溫度近似成比例關(guān)系。有幾種類型的熱電偶分別以字母表示。最常見(jiàn)的熱電偶為K型熱電偶。
熱電偶具有非常寬的測(cè)溫范圍，高達(dá)+1800°C；成本很低，具體成本與封裝有關(guān)；具有較低的輸出電壓，K型熱電偶的輸出大約為40μV/°C；線性度適中，并可提供適當(dāng)?shù)膹?fù)雜信號(hào)調(diào)理，即冷端補(bǔ)償和放大。
由于熱電偶輸出信號(hào)較低，利用熱電偶測(cè)量溫度具有一定難度。由于熱電偶金屬絲連接到信號(hào)調(diào)理電路的銅線(或引線)時(shí)，在觸點(diǎn)位置又會(huì)產(chǎn)生額外的熱電偶，進(jìn)一步加劇了測(cè)量的復(fù)雜性。該觸點(diǎn)稱為冷端(圖2所示)。為了利用熱電偶準(zhǔn)確測(cè)量溫度，必須在冷端位置增加第二個(gè)溫度傳感器，如圖3所示。然后將冷端測(cè)量溫度與熱電偶測(cè)量值相疊加。圖3所示電路是一種實(shí)施方案，其中包括多款精密元件。
圖2. 熱電偶電路簡(jiǎn)化圖。金屬1和金屬2之間的結(jié)為主熱電偶結(jié)。金屬1和金屬2與測(cè)量裝置銅線或印制板(PCB)引線的接觸位置形成了額外的熱電偶。
除圖3所示所有元件外，Maxim還提供用于K型熱電偶信號(hào)調(diào)理的器件MAX6674和MAX6675。這些器件簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)任務(wù)，并顯著降低對(duì)熱電偶輸出放大、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化處理的元件數(shù)量。
圖3. 熱電偶信號(hào)調(diào)理電路示例
溫度傳感器IC
溫度傳感器IC充分利用了硅PN結(jié)所具備的線性度和預(yù)知的溫度特性等優(yōu)勢(shì)。由于這些IC都是采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝制成的有源電路，可提供各種外形封裝。這些器件具備許多功能，例如：數(shù)字接口、ADC輸入、風(fēng)扇控制等，這是其它技術(shù)無(wú)法提供的。溫度傳感器IC的工作溫度范圍可低至-55°C、高達(dá)+125°C，部分產(chǎn)品的溫度上限可以達(dá)到+150°C左右。以下介紹了常見(jiàn)的溫度傳感器IC。
模擬溫度傳感器
模擬溫度傳感器IC將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，有些情況下則轉(zhuǎn)換成電流。最簡(jiǎn)單的電壓輸出模擬溫度傳感器只有三個(gè)有效端：地、電源輸入和信號(hào)輸出。其它具有增強(qiáng)功能的模擬傳感器提供更多的輸入或輸出，例如比較器或電壓基準(zhǔn)輸出。
模擬溫度傳感器利用雙極型晶體管的溫度特性產(chǎn)生與溫度成比例的輸出電壓。對(duì)這一電壓信號(hào)進(jìn)行放大并施加一定的偏置，可以使傳感器輸出電壓與管芯溫度形成適當(dāng)?shù)淖兓P(guān)系，獲得較高的溫度測(cè)量精度。例如，DS600業(yè)內(nèi)精度最高的模擬溫度傳感器，在-20°C至+100°C溫度范圍內(nèi)保證誤差小于±0.5°C。
本地?cái)?shù)字溫度傳感器
將模擬溫度傳感器與ADC集成在一起即可形成直接輸出數(shù)字信號(hào)的溫度傳感器。這種器件通常稱為數(shù)字溫度傳感器或本地?cái)?shù)字溫度傳感器。“本地”表示傳感器測(cè)量的是自身溫度。這種工作方式相對(duì)于遠(yuǎn)端傳感器，后者用于測(cè)量外部IC或分立晶體管的溫度。
基本的數(shù)字溫度傳感器只是簡(jiǎn)單地測(cè)量溫度，溫度數(shù)據(jù)通過(guò)各種特定接口讀取，接口類型包括：1-Wire?、I2C、PWM和3線。復(fù)雜的數(shù)字傳感器具備更多功能，例如：高溫/低溫報(bào)警輸出、設(shè)置觸發(fā)門限的寄存器及EEPROM等。Maxim提供多款本地?cái)?shù)字溫度傳感器，包括DS7505和DS18B20，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保證±0.5°C的精度。
遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器
遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器又稱為遠(yuǎn)端傳感器或二極管溫度傳感器。遠(yuǎn)端傳感器用于測(cè)量外部晶體管的溫度，可以采用分立晶體管，也可以采用集成在另一IC內(nèi)部的晶體管，如圖4所示。微處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)及ASIC往往包含一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器，通常稱為溫度二極管，與圖4所示類似。
圖4. 利用遠(yuǎn)端溫度傳感器MAX6642監(jiān)測(cè)外部IC管芯的晶體管(或溫度二極管)溫度
遠(yuǎn)端溫度傳感器具有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：可以利用單片IC監(jiān)測(cè)多點(diǎn)溫度。一個(gè)基本的單芯片遠(yuǎn)端傳感器，例如，圖4中的MAX6642，可以監(jiān)測(cè)兩個(gè)溫度：自身溫度和外部溫度。外部位置可以是目標(biāo)IC的管芯，如圖4所示，也可以是被監(jiān)測(cè)電路板的某個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(采用分立式晶體管)。有些遠(yuǎn)端傳感器可以監(jiān)測(cè)最多7個(gè)位置的外部溫度。這樣的話，包括IC和電路板的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在內(nèi)，單芯片能夠監(jiān)測(cè)多達(dá)8個(gè)位置。以MAX6602為例，該溫度傳感器具有4路遠(yuǎn)端二極管輸入，能夠監(jiān)測(cè)1對(duì)集成溫度二極管的FPGA、2個(gè)電路板的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(采用分立晶體管)以及MAX6602所在位置的電路板溫度。MAX6602和MAX6642在測(cè)量外部溫度二極管時(shí)都能達(dá)到±1°C的精度。
電流、光信號(hào)及接近檢測(cè)
概述
電流檢測(cè)對(duì)于很多應(yīng)用都十分關(guān)鍵，有兩種常見(jiàn)的測(cè)量方法。
一種方法通常用于大電流檢測(cè)，往往用來(lái)監(jiān)測(cè)電源。典型應(yīng)用包括：短路檢測(cè)、瞬態(tài)檢測(cè)以及電池反接檢測(cè)。
電流檢測(cè)還用于那些需要檢測(cè)弱電流(低至微安級(jí))的系統(tǒng)，例如：光照下能夠產(chǎn)生極小電流的光敏二極管。典型應(yīng)用包括環(huán)境光檢測(cè)、接近檢測(cè)以及基于光吸收/發(fā)射的化學(xué)過(guò)程監(jiān)測(cè)。
這些電流檢測(cè)技術(shù)都使用了電流檢測(cè)放大器(具有多種配置)或互阻放大器(TIA)。以下分別討論各種類型的電流檢測(cè)放大器。
采用電流檢測(cè)放大器檢測(cè)電流
測(cè)量電流的技術(shù)有多種，但截至目前為止，最常見(jiàn)的是利用檢流電阻進(jìn)行測(cè)量。這種方法的基本原理是利用基于運(yùn)放的差分增益級(jí)對(duì)檢流電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，然后測(cè)量放大后的電壓。雖然可以利用分立元件搭建放大電路，但集成電流檢測(cè)放大器相對(duì)于分立設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)：極小的溫漂、占用極小的印制板(PCB)面積，而且能夠處理較寬的共模范圍。
多數(shù)電流檢測(cè)設(shè)計(jì)采用低邊或高邊檢測(cè)。在低邊檢測(cè)中，檢流電阻與地通路相串聯(lián)。電路只需處理較低的輸入共模電壓，輸出電壓以地為參考。但是，低邊檢流電阻在接地通路增加了所不希望的電阻。高邊檢測(cè)中，檢流電阻與正電源電壓相串聯(lián)。此時(shí)負(fù)載的一端接地，但高邊電阻必須承受相對(duì)較大的共模信號(hào)。
電流檢測(cè)信號(hào)鏈路框圖。
Maxim的高邊電流檢測(cè)放大器把檢流電阻連接到電源的正端和被監(jiān)測(cè)電路的電源輸入之間。這種設(shè)計(jì)避免了接地通道的外接電阻，大大簡(jiǎn)化電路布局，有助于改善電路的總體性能。Maxim提供的單向和雙向電流檢測(cè)IC有些帶有內(nèi)部檢流電阻，有些采用外部檢流電阻。
利用互阻放大器(TIA)檢測(cè)光信號(hào)
第二種常見(jiàn)的電流測(cè)量技術(shù)是利用具有極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器，例如TIA，它將電流輸入轉(zhuǎn)換成電壓輸出。這種方法適用于電流非常小、波動(dòng)較大的應(yīng)用，例如光檢測(cè)應(yīng)用中光敏二極管產(chǎn)生的信號(hào)。
一個(gè)簡(jiǎn)單的光敏二極管就是一個(gè)非常準(zhǔn)確的光檢測(cè)傳感器。光檢測(cè)可以用于從基于太陽(yáng)能的電源管理到精密的工業(yè)過(guò)程控制等多種不同應(yīng)用。由于給定環(huán)境下，光強(qiáng)的變化范圍很大(例如從20klx到100klx)，寬動(dòng)態(tài)范圍成為光信號(hào)檢測(cè)的一項(xiàng)關(guān)鍵要求。MAX或MAX等集成方案內(nèi)部集成了一個(gè)光敏二極管、放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)， 動(dòng)態(tài)范圍分別為0.025lx至104,000lx (MAX)和0.045lx至188,000lx (MAX)。
利用光敏二極管進(jìn)行接近檢測(cè)
接近檢測(cè)的方案有多種，光敏二極管相對(duì)而言能夠提供較高的精度，功耗也更低。光敏二極管受到光照時(shí)，將產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的電流。低輸入噪聲、寬帶緩沖器將該電流傳遞給系統(tǒng)的其它部分。可以選用低輸入噪聲放大器，例如MAX9945，提供精確的測(cè)量結(jié)果。
傳感器通信接口
傳感器通過(guò)模擬或數(shù)字技術(shù)傳輸檢測(cè)信息。模擬技術(shù)基于電壓或電流環(huán)；數(shù)字信息則通過(guò)CAN、CompoNet?、IO-link?、RS-485及其它數(shù)據(jù)接口傳輸。
二進(jìn)制傳感器僅傳輸比特流。通常情況下，被測(cè)對(duì)象的“有”、“無(wú)”利用邏輯電平表示并進(jìn)行傳輸。此外，當(dāng)一個(gè)對(duì)象(例如閥門中的活塞)達(dá)到預(yù)定的臨界點(diǎn)時(shí)，傳感器能夠檢測(cè)到這一信息，然后通過(guò)二進(jìn)制接口將信息傳遞給可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)。
由于工業(yè)環(huán)境條件惡劣，傳感器接口必須高度可靠，能夠承受各種誤操作和EMI。
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傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換：傳感器電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)
一．簡(jiǎn)介
DHT11作為一款低價(jià)、入門級(jí)的溫濕度傳感器，常用于我們的單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例中;它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。
DHT11為 4 針單排引腳封裝，如下圖，采用單線制串行接口，只需加適當(dāng)?shù)纳侠娮瑁盘?hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。
二．傳感器參數(shù)
1.DHT11電氣參數(shù)如下：
型號(hào) 測(cè)量范圍 測(cè)濕精度 測(cè)溫精度 分辨率 封裝
2.引腳定義
3.典型電路
DHT11的供電電壓為 3－5.5V，電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。DATA引腳并聯(lián)一個(gè)5K以上的上拉電阻，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾額能力。傳感器上電后，要等待 1s 以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。
三．傳感器控制時(shí)序
1.數(shù)據(jù)格式
DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說(shuō)明,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)讀出為零，操作流程如下:
一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。
數(shù)據(jù)格式：
8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和
8位校驗(yàn)和：
“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”相加所得結(jié)果的末8位。
2.控制時(shí)序
要實(shí)現(xiàn)對(duì)DHT11傳感器的控制和數(shù)據(jù)的讀取，需先學(xué)會(huì)分析DHT11的控制時(shí)序。時(shí)序主要分為三部分：1：觸發(fā)DHT11采集數(shù)數(shù)據(jù)；2：讀取數(shù)字0；3：讀取數(shù)字1；。
（1）觸發(fā)DHT11采集數(shù)據(jù)
總線空閑狀態(tài)為高電平,單片機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),單片機(jī)把總線拉低必須大于18ms,保證DHT11能檢測(cè)到起始信號(hào)。
當(dāng)DHT11接收到單片機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后,等待單片機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號(hào)。
單片機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后,延時(shí)等待20-40us后,切換為輸入狀態(tài)，等待DHT11的80us低電平信號(hào)結(jié)束，然后判斷DHT11是否是否發(fā)出 80us 的高電平；如果是，即可開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。
(2)數(shù)字0信號(hào)時(shí)序
當(dāng)DHT11輸出數(shù)字0時(shí)， 單片機(jī)讀取到的信號(hào)為50 us的低電平，之后為26-28 us的高電平。
(3)數(shù)字1信號(hào)時(shí)序
當(dāng)DHT11輸出數(shù)字0時(shí)， 單片機(jī)讀取到的信號(hào)為50 us的低電平，之后為70 us的高電平。
由此可知DHT11輸出數(shù)字0和數(shù)字1的區(qū)別在于高電平的時(shí)間，由此單片機(jī)可在讀取到高電平后，延時(shí)30us后，識(shí)別此時(shí)總線的電平，高電平為數(shù)字1，低電平為數(shù)字0；
(4)總時(shí)序圖
用戶MCU發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。
從模式下,DHT11接收到開(kāi)始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào),DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。當(dāng)一次完整的采集數(shù)據(jù)后，DHT11會(huì)轉(zhuǎn)換到低速模式。
四．控制程序
1.單字節(jié)采集
2.完整一次數(shù)據(jù)采集
3.獲取DHT11數(shù)據(jù)
如需DHT11相關(guān)資料， 請(qǐng)關(guān)注公眾號(hào)，首頁(yè)回復(fù)“DHT11”獲取資料
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傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換：信號(hào)轉(zhuǎn)換器
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PartNo
Description
Interface
Programmable
Sensitivity
Input Current
Signal Frequencies
kHz
Supply Voltage
V
Package
Size
mm
Temperature Range
°C
Datasheet
Demo
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PartNo
AS
4-channel, current input 12-bit Analog-to-Digital Converter (ADC)
Fast SPI up to 16MHz
Transimpedance in 17 stages 20kOhm - 102MOhm
up to 2.8 pA/LSB
12nA - 12μA
3 to 340
2.7 to 3.6
SSOP20
8.56 x 5.84 x 1.62
-25 to 85
AS
AS
16-bit 4-channel ADC with I2C Output
16-bit/400kHz fast I2C interface
Gain, integration time, 16-bit output via shifter, interrupt
up to 20 fA/LSB
20nA - 5μA
1ms to 1s
2.7 to 3.6
SSOP16
4.80 x 5.79 x 1.35
-40 to 125
AS
AS
4-channel programmable gain transimpedance amplifier with analog output
Analog voltage output
Transimpedance in 8 stages 25kOhm - 20MOhm
25nA - 20μA
6 to 300
0.3 - 7.0
QSOP16
4.90 x 6.00 x 1.75
-40 to 125
AS
