我在電子星球的第【1】篇原創(chuàng)文章
簡介：
熱釋電探測器用于探測紅外信號的變化。本應(yīng)用說明給出了SGX Sensortech紅外氣體傳感器所用電子電路的設(shè)計指南。這些信息用于一般建議，應(yīng)注意使電路適應(yīng)應(yīng)用的特殊要求。通過遵循本應(yīng)用說明的建議，用戶應(yīng)能夠使用SGX Sensortech紅外氣體傳感器實現(xiàn)出色的性能。氣體檢測系統(tǒng)的典型框圖如圖1所示
圖 1 氣體檢測系統(tǒng)的典型框圖
紅外氣體傳感器包含一個由燈驅(qū)動電路在低頻下脈沖的燈。紅外輻射的脈沖在內(nèi)部反射，從而提供一條穿過目標(biāo)氣體的長路徑。熱釋電探測器用于探測紅外信號的變化。測量波段波長很敏感，通常被目標(biāo)探測氣體吸收。參考波段不敏感，該波長不會被目標(biāo)檢測氣體吸收。
小的熱釋電輸出信號在形狀上近似鋸齒狀，必須進(jìn)行放大和濾波。帶通放大器用于只通過基頻，并減少其他頻率的任何熱噪聲。放大器的輸出大致呈正弦曲線。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對放大器輸出的最大值和最小值進(jìn)行采樣，以確定峰峰值電平。微處理器使用測量和參考通道的峰峰值比來計算實際氣體濃度。兩個通道對背景溫度都很敏感，因此需要一個溫度傳感器，以便微處理器能夠補(bǔ)償高溫輸出對環(huán)境溫度的影響。有些氣體傳感器有一個內(nèi)部溫度傳感器。如果沒有，電子電路應(yīng)在傳感器本體附近提供一個溫度傳感器。微處理器可以根據(jù)應(yīng)用程序驅(qū)動多個輸出。這些可能包括一個液晶顯示器，一個4-20毫安的接口，一些報警或其他需要的輸出。
燈驅(qū)動
燈的頻率和穩(wěn)定性
建議采用4 Hz50%占空比的方波燈驅(qū)動波形。重要的是頻率是由晶體控制的源產(chǎn)生的，例如帶有晶體基準(zhǔn)的微處理器。模擬RC振蕩器不夠穩(wěn)定，無法精確操作。使用微處理器時，應(yīng)注意確保燈驅(qū)動波形上沒有因定時變化或軟件中斷而出現(xiàn)的頻率或相位變化。
如果頻率增加超過4Hz，則pyro輸出將降低。雖然較低的頻率會產(chǎn)生更高的pyro輸出，但它也會給整個系統(tǒng)帶來許多其他問題：
•還需要降低ADC采樣率，從而通過平均降低噪聲。
•輸出放大器需要使用較大的電容器，這可能會導(dǎo)致本質(zhì)安全儀表的認(rèn)證問題。
SGXSensortech在測試和表征氣體傳感器時使用4Hz的燈驅(qū)動頻率。
燈電壓
燈驅(qū)動的峰間電壓應(yīng)在3.0 V和5.0 V之間。5.0 V方波將提供最大的紅外發(fā)射和最佳的系統(tǒng)性能。來自燈泡的熱量也會使光學(xué)反射器的溫度高于環(huán)境溫度，這有助于防止潮濕環(huán)境中的冷凝。對于電池供電的便攜式儀器，傳感器也可以在3.0V燈驅(qū)動下非常成功地工作。雖然對氣體的敏感度會變小，但耗電量會減少，燈泡壽命也會延長。
圖2顯示了熱釋電輸出如何隨燈泡電壓變化。表1顯示了不同燈泡電壓下的典型功耗。
圖 2 熱釋電輸出如何隨燈泡電壓變化
表1 不同燈泡電壓下的典型功耗
表1——典型燈泡特性
從表1可以看出，燈泡在冷態(tài)（關(guān)閉）時電阻非常低。這可能會在開啟瞬間造成電流激增，這在某些應(yīng)用中可能是不受歡迎的。這主要是在設(shè)備冷啟動時出現(xiàn)的問題-一旦燈泡以4 Hz的頻率驅(qū)動，即使在“關(guān)閉”時也會保持一定的熱量，以減少這種影響。如果此問題導(dǎo)致問題，有幾種方法可用于解決：
•當(dāng)“關(guān)閉”時，使燈泡偏壓在0.4 V左右，使其保持溫暖（參見圖3電路中的可選電阻器）
•增加一個小串聯(lián)電阻
•使用具有電流限制的調(diào)節(jié)器
•在儀器打開時，從微處理器控制占空比，在前幾秒從0%增加到50%。
燈電路隔離
燈泡電流相對于熱釋電信號是較大的。為了防止燈泡開關(guān)的大電流沖擊引起輸出波形上的電壓階躍，仔細(xì)的電路設(shè)計和布局是必需的，應(yīng)小心確保燈回路電流不會流過靈敏的熱釋電放大器的地。燈泡電流也不得使用與ADC或溫度傳感器相同的返回路徑，否則因為燈泡在ADC采樣點的打開或關(guān)閉，可能會導(dǎo)致不同的電壓偏移。
強(qiáng)烈建議燈泡驅(qū)動和輸出信號電路使用單獨(dú)的電壓調(diào)節(jié)器。燈泡電壓可以使用具有低RDS導(dǎo)通電阻的MOSFET（例如Si2515BDS）進(jìn)行切換。另一種方法是使用帶關(guān)閉控制的電壓調(diào)節(jié)器，它可以在4赫茲時打開和關(guān)閉。當(dāng)使用低壓差穩(wěn)壓器時，必須遵循設(shè)備制造商關(guān)于輸入和輸出電容器的建議，以保持燈泡電壓的穩(wěn)定性。
圖 3 顯示了一些驅(qū)動燈泡的電路示例。
圖 3-a
圖3-b
圖3-c
熱釋電供電和輸出負(fù)載
氣體傳感器內(nèi)部的熱釋電探測器將紅外輻射的變化轉(zhuǎn)化為電流。熱釋電源電壓范圍為3 V至15 V。但是，在包含溫度傳感器IC的氣體傳感器中，電源電壓應(yīng)限制在10 V。熱釋電材料具有非常低的輸出，并且在源極跟隨器布置中使用場效應(yīng)晶體管（FET）進(jìn)行內(nèi)部緩沖。有必要提供10至100µA的外部電流負(fù)載；最低噪聲的最佳值約為20µA。探測器輸出通常具有0.4 V和1.5V之間的直流偏壓，因此對于大多數(shù)單電源應(yīng)用，可以將47k電阻器從傳感器輸出連接到接地（圖4）。
圖 4 輸出負(fù)載
帶通放大器
熱釋電器件的輸出非常小，通常小于50毫伏，必須放大。放大器應(yīng)盡可能靠近氣體傳感器安裝，以減少噪聲和其他電磁干擾的拾取。放大器應(yīng)通過所需的4赫茲信號，并拒絕其他頻率。
如果帶寬太窄，濾波器可能對元件公差和溫度變化非常敏感。但是，如果帶寬太寬，電路會從熱釋電中傳遞太多不需要的噪聲。這將導(dǎo)致低信噪比和儀器讀數(shù)波動。圖5顯示了一個典型的電路，用于使用單個3V電源放大和過濾pyro輸出。R1是熱負(fù)載電阻器。有兩個高通濾波器由C1與R2//R3(0.4Hz)和C2與R4(2.3Hz)組成。單個低通角由C3和R5(5.4Hz)形成。電路增益可以通過改變R5的值來改變。然而，C3xR5的乘積必須保持恒定，以保持相同的頻率響應(yīng)。應(yīng)選擇電路增益，以使傳感器輸出最大化，而不會導(dǎo)致削波?？紤]數(shù)據(jù)表中給出的輸出的制造變化。
圖 5 典型電路
放大電路的頻率響應(yīng)如圖6所示。為了保持兩個通道的響應(yīng)相同，電阻公差應(yīng)為1%或更好，電容器應(yīng)為10%或更好。在選擇電容器時應(yīng)小心，因為許多高值設(shè)備的公差非常差。運(yùn)算放大器應(yīng)選擇在10赫茲以下具有良好噪聲性能的放大器。如果增益很高，則需要一個低的偏移量，以確保輸出在供電軌的中間偏壓。
圖 6 響應(yīng)曲線
模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）用于采集放大的焦信號和溫度傳感器。所需的分辨率位數(shù)取決于應(yīng)用程序。但是，必須考慮幾個因素：
•所選氣體的吸收
•微處理器中的平均值
•應(yīng)用所需的分辨率
在某些應(yīng)用中，12位ADC就足夠了。然而，一些高精度應(yīng)用需要14或16位ADC分辨率。
ADC參考
應(yīng)提供干凈的ADC基準(zhǔn)和接地。應(yīng)選擇在10Hz以下具有低噪聲的基準(zhǔn)。注意將ADC電源與燈泡驅(qū)動器隔離，以防止燈泡開關(guān)瞬態(tài)耦合。
ADC時序
圖 7 顯示了一些典型的定時波形。在燈泡開關(guān)點和信號響應(yīng)的最大值或最小值之間存在延遲。這種延遲通常在25毫秒左右，但取決于所使用的氣體傳感器的型號。延遲還與熱釋電器件的輸出電平有關(guān)，可以看出，如果燈泡驅(qū)動器從5V降低到3V，則延遲時間將增加。
圖 8 ADC時序
當(dāng)使用有源和參考信號電平之間存在較大差異的氣體傳感器時，將觀察到測量和參考峰值的延遲時間存在微小差異。在這種情況下，ADC應(yīng)該以平均延遲時間采樣，或者為每個通道使用不同的延遲時間。
降噪
一個好的電路設(shè)計將使您從SGX Sensortech紅外氣體傳感器獲得最佳性能。小心避免常見的設(shè)計問題，這些問題可能會導(dǎo)致噪音增加或其他性能影響?？赡艹霈F(xiàn)的問題有：
•電源調(diào)節(jié)器噪聲*
•ADC參考噪聲*
•運(yùn)算放大器噪聲*
•4 Hz燈驅(qū)動或ADC采樣點不穩(wěn)定（可能由軟件中斷引起）
•通道匹配不良超溫（部件公差差）
•由于傳感器輸出端接地不良或軌道較長而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)
•接地不良引起的燈開關(guān)瞬態(tài)干擾
•在選擇設(shè)備時，請仔細(xì)考慮1到10Hz之間的噪聲性能。
•噪聲也可以通過平均ADC讀數(shù)來降低。n個樣本的平均值將使信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差提高√n。但是，它也會增加對氣體濃度變化的響應(yīng)時間。