传感器连接电路剖析——比例电路（一）

我们知道传感器能与信号调节器直接相连，然后我们希望从传感器进入信号调节器之前能减少各种外界干扰造成的误差与噪声。如果我们在信号调节器前连接上带有特殊功能的电路，那么有的误差可以被减小甚至完全消除。下面我将介绍几种常用的连接电路。

一丶比例电路
运用比例测量技术能使传感器精度得到有效的改善。但是值得注意的是，只有当误差源为乘法性质而发加法性质时才有效。换而言之，用这种技术来减小噪声是无效的。但是，它在解决电源不稳定，环境温度，湿度，压力，老化等灵敏度相关性问题上是十分有效的。该性质需要用到两个传感器，一个是作用传感器，用于对外部激励做出响应，另一种是补偿传感器，这种传感器需屏蔽激励或者本身对激励不敏感。外部的影响可能会很大程度上改变传感器的性能，故这两个传感器必须都暴露于全部外部影响之下，第二种常常又称之为参考传感器。它必须经过参考激励的校正，且该激励在有效期内必须始终保持稳定。在很多实际运用种，参考传感器与作用传感器没有必要一模一样，但是物理特性中可能出现不稳定的部分应该相同。

比例测量技术本质上需要除法的使用。其使用可在两种标准形式下进行，（数字形式或模拟形式），在数字形式中作用传感器和参考传感器的输出信号为多路复用，经模数转换成二进制码，随后由计算机或微处理执行除法操作。在模拟形式中，除法器可以是信号调节器的一部分，下图中，产生的输出电压或输出电流与两个输入电压或输入电流或输入数字的比值成正比。

上式中，当VN=VD时，K等于输出电压。变量的变化范围（象限操作）根据分子和分母的输入及输出的极性和大小定义。例如，如果VN和VD都为正或负，除法器则为第一象限。
如果VN是双极性，除法器则为第二象限。
通常，分母都是严格单极性的，因为从一个极性到另一个极性的过度，分母都需要通过零，而这需要一个无限的输出（除非分子也是零）。实际上VD是参考传感器输出的信号，一般情况都是保持恒定。

一直以来，除非应该是4种运算种最难实现的运算。这主要是由于除法的性质，当分母趋近于零（分子不为零），分数的值将会趋向于无穷大。因此理想的除法器必须具备无穷增益和无限动态范围的能力。但是对于真正的除法器来说，这些因素都会受低VD值时，漂移和噪声的放大倍率的限制。换言之，除法器分子的增益与分母的值成反比，因此，总体误差是多个因素作用的最终结果，例如分子，分母及分母的输入误差和偏移，噪声和漂移等等都会对增益产生影响。
此外，由于分子与分母的比值为常数，而与分子分母自身的大小无关，因此除法器的输出必为常值。例如，10/10=0.01/0.01=1，以及1/10=0.001/0.01=0.1。一些简单的比例电路在实际运用种十分广泛，如下图，其输出是电阻比值的函数（注意参考电压Vr为负）

应用最广且最为有效的比例电路是基于惠斯通电桥设计而成的，下面进行详细介绍。
上图是一个简单的温度探测器，其作用传感器为负温度系数的（NTC）热敏电阻RT。参考电阻R0的值等于参考温度下热敏电阻的值。两个电阻都通过模拟多路复用器连接到一个带有反馈电阻R的放大器。假设传感器的阻值存在一个微小偏移，由于传感器的阻值是时间的函数，故传感器的电阻变为
RT（t）=a(t)RT,电阻R0的特性也随相同函数发生变化，故R0（t）=a(t)R0传感器经放大器后的输出信号以及参考电阻如下

能够看出，这两个电压为电源电压E和电路增益的函数，同时也是漂移a(t)的函数。多路复用开关使用电压VN和VD在放大器的输出端依次出现。这些电压经过除法器电路后，得到的信号表达式为

式中，k为除法器因子，因此除法器的输出信号并非取决于电源供电电压或放大器增益。它也与所乘的漂移无关。故所有的负因子都变得无关紧要。除法器的输出只取决于传感器本身及其参考电阻。只有当围变量变化并不剧烈时，以上结论才成立，也就是说这些伪变量在复用器件不存在明显变化，这一要求决定了多路复用的速率。