论文总字数：40233字

摘 要

关键词：多维力；精密运算放大器；数据采样传输电路；网口传输；数字信号量

Abstract

The sensor can sense the information of non-electrical signals such as physical quantity, b iomass, chemical quantity, and convert it into electrical signals that are convenient for subsequent circuit systems to process and analyze. It has been widely used in industry and is usually used as a measurement and detection system. The front part of the system realizes the information acquisition part of the measurement system and provides raw data for subsequent signal processing.

In order to conveniently transmit the non-electrical signals sensed by the sensor to the upper computer for subsequent analysis and processing, this paper has designed a sensor system that can analyze and extract multi-dimensional force, through which the external force can be applied to the pressure sensor. The size of the direction is directly transmitted to the host computer and displayed directly as a digital signal. This paper studies the design of the precision operational amplifier and data sampling transmission circuit and the design of the network port module transmission program in this sensing system, and makes the physical circuit board of this sensing system connected to the computer for experimental analysis.

The results show that this sensor system can basically complete the function of transmitting multi-dimensional force information to the host computer in the form of digital semaphore.

Key Words: Multi-dimensional force; precision operational amplifier; data sampling transmission circuit; network port transmission; digital signal

目 录

第1章 绪论 1

1.1 传感器的发展历史与现状 1

1.2 传感器应用中存在的问题及解决方式概述 2

1.3 模拟前端概念的提出及其功效 2

1.4 模拟前端电路的国内外研究历史与现状 3

1.4.1 国内外研究现状 3

1.4.2 工业应用情况 3

1.5 本文主要内容与结构安排 4

第2章 传感系统原理 6

2.1 压阻式压力传感器的介绍 6

2.1.1 传感器特性 6

2.1.2 压力传感器分类 9

2.1.3 压阻式压力传感器工作原理 11

2.2运算放大电路工作原理介绍 14

2.2.1 信号放大电路功能介绍 14

2.2.2放大电路的基本特性 15

2.2.3运算放大器 16

第3章 系统设计 18

3.1 硬件设计 18

3.1.1 信号放大电路的原理图设计 18

3.1.2 数据采样传输电路的原理图设计 21

3.1.3 PCB板的绘制 25

3.2 软件设计 28

3.2.1软件设计流程 28

3.2.2 软件设计的重点解决问题 29

第4章 系统测试与结果 30

4.1 实物的制作 30

4.2 实物测试 30

4.3 数据分析与处理 31

第5章 总结与展望 32

5.1 本文的主要设计工作与意义 32

5.2 本文存在的问题和需改进的不足 32

参考文献 33

致 谢 34

附录 35

第1章 绪论

1.1 传感器的发展历史与现状

随着科技日新月异的发展，半导体技术逐渐趋于成熟化，并且凭借着体积小、重量轻、灵敏度高等备受青睐的优质特点，使得半导体不论是在工业上军事上还是在居家生活中都得到了广泛的应用。传感器具有感知外在客观的物理量、化学量和生物量的相关重要信息，并且可以通过连接测量系统，将这些不能被电子系统正常处理的信息转换成电信号以进行后续处理，通常作为测量和检测系统中的前置部件，实现测量系统的信息采集部分并且为后续的信号处理提供原始数据。如图1.1所示，目前大部分正在应用的传感器基本上由敏感元件与转换元件两部分组成：其中敏感元件负责接收到外界特定检测的相关非电信息量的功能，并产生一定程度光电性质上的可恢复型物理量变化，而后续的转换元件则负责将敏感元件的产生物理量变化通过观测衡量其变化大小从而将外界检测的非电信息转换成电信号的表达形式。

在当今科技日新月异蓬勃发展的时代背景下，信息化社会的观念已经深入人心并且在我们的生活中处处有所体现，其中尤为重要的传感器已经在工农业、交通运输业、国防军事等许多重要领域得到了广泛的使用，随着各个领域对电子设备的功能种类多样化方面二点要求越来越高，传感器的发展将向着低功耗、高精度、微型化的方向大步迈进。传感器是按照其测量的物理量种类来分类的，通常我们将传感器的类型分为如下三种：压力传感器、温度传感器和速度传感器。而由于常规需求偏重于压力测量的原因，压力传感器的应用则是所有种类之中最广泛的。而初代的压力传感器由于技术的不成熟，导致其主要采用机械结构型器件，其工作原理是通过测量压力传感器内部弹性元件的形变程度来转换成相对应的压力数值，但是这种压力传感器结构尺寸较大，质量较重并且灵敏度比较低，在微型化器件中难以嵌入使用。而半导体的技术工艺的发展使得此问题迎刃而解，直接导致了半导体压力传感器的诞生。这种半导体压力传感器具有半导体的优秀特性，结构尺寸小且质量轻灵敏度高输入输出特性优秀。目前市场中使用较多的有电容式压力传感器和压阻式压力传感器这两种半导体传感器。电容式压力传感器利用压力使得弹性的电容极板间距变化，导致其电容值变化，由此反应出所测压力的变化及数值，由测量电路的电信号传出，但其比较适用于测量动态力学的物理量，难以测量频率较低或者静态量。而本文使用的则是第二种，即压阻式压力传感器，利用压阻效应，通过电阻值的不同来映射出施加在压力传感器上的压力大小与变化。

图1.1 传感器的组成

1.2 传感器应用中存在的问题及解决方式概述

对于压阻式压力传感器而言，预测量压力的大小会导致其应变片上的电阻值产生相对应的变化，并且由桥式电路对其电阻值变化进行测量，便可将预测量的压力大小转换成电压输出或者电流输出。然而压阻式压力传感器也有其不足之处，在工作时会产生静态功耗，为了解决这一问题，在低功耗应用中，通常使用将传感器内电阻值做的很大且电桥电路的输入电压降低的方式来见降低静态功耗。但是由于为了解决此问题，外界输入电压很小的情况下，导致压阻式压力传感器内阻值变化很小，所以输出的电信号很小，后续的电路难以直接使用如此小的源信号，控制和处理也基本上做不到合适的处理，所以压阻式压力传感器采集到的输出信号我们通常将其经过模拟前端进行信号的放大和抽样采集成数字信号，以方便后续电路的处理。

1.3 模拟前端概念的提出及其功效

模拟前端（analog front-end）的提出所要解决的问题就是处理信号源给出的模拟信号，对其进行数字化和分析处理。

对于模拟前端而言，其主要的作用功能就是将压阻式压力传感器采集到的信号进行放大、滤波、数字化以便后续的数字电路进行处理，所以模拟前端通常由以下几个板块组成：信号放大电路、滤波电路、以及数模转换器（ADC）模块组成。对于不同的工业设计需求而言，模拟前端会有不同的信号处理的幅值要求，所以信号放大电路通常采用增益可调型放大器，例如可变增益放大器、可编程增益放大器，并且要求使用的放大器噪声较低以确保整个电路的信噪比较低^[1]。而当需要处理高频信号时，我们通常使用高通滤波电路来减少电路噪声和电路的失调对信号的处理产生的影响。ADC可采用逐次逼近型、流水型以及Σ-Δ型等架构，每种架构都具有不同的优势：逐次逼近型ADC分辨率较高，功耗较低，单采样速率适中；流水线ADC相比于逐次逼近型具有较高的分辨率和采样速率，但其缺点是流水线ADC功耗很高；而Σ-Δ型ADC精度可以做得很高，但采样速率很低。因此在选用ADC架构的时候需要综合实际需求，考虑精度、速度以及功耗等指标。

数据采集为将模拟电信号转换成数字信号波形的重要手段，是实现将各种由传感器采集到的物理化学生物信号导入电脑进行信号处理并加以分析利用的必要手段，是实现计算机完成各种工作过程的基础，被广泛应用于自动控制、自动检测和电子测量等工作的自动化与智能化系统中^[2]。

1.4 模拟前端电路的国内外研究历史与现状

1.4.1 国内外研究现状

近年来，模拟前端在电子消费、医疗生物等各种领域均有广泛的应用，而目前模拟前端的研究方向主要放在高精度和低功耗两个性能指标上，且国外的学术界对于模拟前端的研究尤其多^[3]。2017年米兰-比科卡大学的De Matteis在0.13μmCMOS工艺下设计了一款模拟前端，主要由一个可编程的增益放大器和一个10位逐次逼近型ADC组成，在1.2V的工作电压下，功耗为90μW。2017年日本东京大学的Ito-Keita在0.18μmCMOS工艺下设计了一款用于电荷注入监控系统的模拟前端，主要包括一个增益在20dB~60dB可调的放大器以及一个12位时间交织型ADC^[4]。

近年来国内对模拟前端也展开了较多的研究。国内关于模拟前端电路的研究主要集中于研究所和各大高校，2014年复旦大学陈华斌等人在GSMC 0.13μm 1.5v/12v双栅4P6M e-flash工艺下设计了一款模拟前端，包括具有4个增益等级的可编程增益放大器、12位3.2MSPs逐次逼近ADC、带隙基准、LDO电路等。2014年北方工业大学谢良波等人在SMIC 0.13μm 1P8M CMOS工艺下，设计了一款用于便携式音频应用的模拟前端，主要包括一个最高可达30dB的可编程增益放大器（PGA）和一个采用数据加权平均的二阶3位Σ-Δ调制器，工作电压为1V，总功耗为450μW。2017年厦门理工大学在0.18μm CMOS工艺下设计了一款用于植入式的模拟前端，包括一个亚阈值放大器和一个10位20KSPS逐次逼近型ADC，在电源电压为1.8V下，ENOB达到了9.4bit，功耗仅为76μW^[5]。

1.4.2 工业应用情况

在工业界，国外的各大公司对于模拟前端尤为看重并且着力发展，所以其设计很多，均有很多的模拟前端芯片可供选择，比如德州仪器（TI）、亚德诺半导体（ADI）和微芯科技（Microchip）等公司^[6]，由于其模拟前端技术的前瞻性，均有多款能满足多种电压和电流输出标准的传感器应用的高性能模拟前端产品，如表1.1所示。

表1.1 国外主要公司的模拟前端产品

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