隨著電子計算機、機器人、自動控制等技術的迅速發(fā)展，對傳感器的需求不斷增加。而物聯網的逐漸興起，傳感器的應用將成爆發(fā)式增長。有人說，物聯網就是感知網，每一個傳感器就是一個信息源。這里的傳感器就是將各種被測量轉換成電氣量的裝置，比如將溫度、壓力、流量等物理量轉換成電壓的傳感器。傳感器是檢測系統的第一個環(huán)節(jié)。它是以一定的精度把被測量轉換成與之有確定關系的、便于應用的某種量值的測量裝置。

傳感器的零點偏移就是，在被測量的物理量是零的時候，其輸出不是零。零點偏移的原因，一部分是傳感器制造過程中形成的產品參數的分散性;另一部分是使用時環(huán)境因素造成的參數改變，比如溫度、濕度、氣壓和電磁場等的影響。

傳感器由于各種原因引起的零點偏移和非線性變化都會影響測量結果。為了消除這些因素對測量結果的影響，人們采取了許多辦法。這些辦法各有千秋，本文重點討論一種新的零點偏移的消除方法。

1  總體設計

一般傳感器的輸出信號都要經過放大，再送到ADC進行模數轉換，然后送到微機進行處理,最后才將處理后的數據送到需要的地方。圖1所示是一般數據采集系統的結構框圖。

圖1  一般數據采集系統框圖

一般的傳感器都會有零點偏移。零點偏移可以分為大偏移和小偏移。暫且把偏移量在額定輸出的10%以內看做小偏移，而大于10%的可以看成大偏移。大偏移如果不及早消除，還會在后面的放大器中出現,從而使放大器的輸出超過動態(tài)范圍，造成失真,只好減小放大倍數。這樣，經過一定位數的ADC將信號轉換成數字量后，還應扣除這一部分零點偏移的數量，這將使有用信號分辨率降低。而采用更高分辨率的ADC,又會使成本增加。消除零點偏移的最好辦法是在信號幅度比較小的時候進行。這個比較小是與放大電路的動態(tài)范圍相比較的。

基于以上思路設計的傳感器自動調零電路如圖2所示。該電路先將傳感器的輸出信號進行一次放大，然后消除零點偏移，之后再次放大到ADC電路所需要的幅度，或者達到某一標準幅值。

圖2  帶自動調零的數據采集通道框圖

零點偏移的消除方法是,在傳感器的輸入量為零的情況下，用微機測量ADC的輸出值，同時計算出傳感器（經放大器1放大的）輸出的偏差的大小和正負，然后控制偏差電壓產生電路產生一個與所計算偏差大小相等方向相反的補償電壓，以抵消傳感器出現的零點偏移。

這里的消除零點偏移，也可能是徹底消除，這是最好的結果。也可能是絕大部分消除，但還有很小的偏差，只對放大器的動態(tài)范圍影響很小，經過放大和模數轉換后，可再由微機軟件來消除。大多數情況下都會采用后一種方法。因為放大器本身也會受各種因素影響產生零點漂移。這些漂移也是需要處理的。許多情況下，傳感器的非線性補償也是在微機中利用軟件來進行。

2  緩沖放大電路

圖2中的放大器1主要起緩沖作用。要采用輸入阻抗高且共模抑制比高的放大電路來擔當,一般可采用高性能儀表放大器。圖3所示是采用AD620儀表放大器的傳感器放大電路。

圖3采用AD620的傳感器放大器1

電阻應變式稱重傳感器是一種將力信號轉換為電信號的機電元件,可廣泛應用于電子稱重領域，以及自動控制和自動檢測領域等,是稱重和檢測系統的核心元器件之一。

該電路選用的儀表放大器芯片AD62O,具有高的共模抑制比,且具有低噪音、低輸入偏置電流和低功耗特性，工作電源范圍為±2.3?士18V。該電路僅需一個外接電阻RG即可得到1?1000內的任意增益范圍，增益G=49.4kfl/RG+l₀放大后的信號再送給下一級處理。（本電路節(jié)選自ADI公司的放大器數據手冊）

3  補償電壓產生電路

圖2中的補償電壓產生電路模塊的具體電路如圖4所示。

圖4  補償電壓產生電路

該電路由正負電壓產生電路、限幅電路和幅度調節(jié)電路等幾部份組成。比較器的同相輸入端接一個固定的電壓（約1.7V），反相輸入端接微機的一個輸出口（K2）。當該端口線輸出高電平時（大于1.7V）,比較器輸出負電壓，當該端口線輸出低電平時（小于1.7V）,比較器輸出正電壓。就是說，由微機來控制其產生正（或負）電壓。產生的電壓由一對反并聯的二極管實現限幅，其輸出電壓被限制在一0.7~+0.7V之間。這個電壓再經過一個電位器調節(jié)，就可以輸出一個比較小的固定電壓（比如25毫伏）送給DAC0832的VREF端。DAC0832本來是做數模轉換器使用的，其輸出與參考電壓Vg成正比，也與數據量D7?D0的數值成正比山」。利用這一特性可將電位器產生的固定電壓送給DAC的VREF,以使其輸出在微機給出的數字量的控制下進一步衰減。DAC0832的輸出端接運放LM324,可將電流轉換成電壓，形成最終的偏差補償輸出電壓。

圖4中，補償控制端K1的作用是控制調零所需數字量（D7?D0）是否允許輸入DAC0832,當K1為。時，允許來自微機的數據進入DACO832,K1為1則不允許。進入DAC0832的數據將保存在內部寄存器中并立即影響輸出，直到重新進入新的數據。圖4中的K1、K2、D7?D0均來自微機。

4  求和放大電路

圖2中的放大器2也是一個運算放大器，其典型的電路連接方法如圖5所示。

圖5  帶信號疊加的放大器2

圖5中電路仍釆用AD620,由于AD62O的優(yōu)良性能「頃，可以對來自放大器1和偏差補償電路的2路信號求代數和,然后進行精確放大。圖5中是放大倍數設置電阻，可以根據R,需要調節(jié)電路的放大倍數，放大倍數為

以上數據采集通道還需要在具體應用過程中根據具體情況加以完善，比如抗干擾和濾波等環(huán)節(jié)。

5結語

本文設計的自動調零電路的好處是可以在即將進行測量的時候進行一次自動調零，這時候的調零是測量系統在實際工作環(huán)境下，適應環(huán)境的一個過程。因為這里的調零已經把環(huán)境引起的零點偏移一起消除了。

本文設計的傳感器自動調零電路是在微機的控制下自動進行調零，因而比一些組合邏輯電路設計的自動調零電路更加完善和更加智能化。在傳感器調零之后，它還可以進行更加精確的軟件調零，同時進行非線性補償。本電路現在已經應用在某數據采集系統上。事實上，今后還可以對放大器進行改進，利用微機控制放大倍數，自動改變量程。