传感器研发基础：典型的信号调理电路汇总

传感器的研发，往往会涉及到信号的调理电路，也就是模拟信号的采集方面的电路。在模拟信号采集与处理系统中，信号调理电路是核心环节之一，其作用是将传感器或前端电路输出的原始模拟信号（通常存在幅值微弱、含噪声、偏移异常等问题）处理为符合后续 ADC（模数转换器）或信号分析设备要求的标准信号。以下是最典型、应用最广泛的信号调理电路类型，按功能分类详解：

一、放大电路：提升微弱信号幅值

传感器（如应变片、热电偶、光敏电阻）输出的信号往往仅为 mV 甚至 μV 级，无法直接被 ADC 识别，需通过放大电路将幅值提升至 ADC 的最佳输入范围（如 0~5V、±10V）。根据信号特性和需求，常见放大电路分为三类：

1. 运算放大器（Op-Amp）基础放大电路

• 反相比例放大电路：输入信号从运放反相端输入，输出与输入反向，放大倍数由反馈电阻（Rf）与输入电阻（R1）比值决定（Av = -Rf/R1）。
  优点：输入阻抗低（由 R1 决定）、带宽较宽；缺点：输出与输入反相，需后续处理相位。
  应用：适用于信号源输出阻抗较低的场景（如电压源信号）。

• 同相比例放大电路：输入信号从运放同相端输入，输出与输入同相，放大倍数 Av = 1 + Rf/R1。
  优点：输入阻抗极高（运放同相端阻抗接近无穷大）、无相位反转；缺点：共模信号抑制能力较弱，带宽略窄于反相放大。
  应用：适用于信号源输出阻抗高的场景（如传感器直接输出信号）。

2. 仪表放大器（Instrumentation Amplifier, In-Amp）

由 3 个运放构成（输入级 2 个同相放大、输出级 1 个差分放大），是专为差分信号放大设计的集成芯片（如 AD620、INA128）。

• 核心优势：
  ① 极高的共模抑制比（CMRR，通常＞80dB），能有效抑制环境噪声（如 50Hz 工频干扰）；
  ② 可通过外接单个电阻灵活调节放大倍数（Av = 1 + 2Rg/Rgain，Rg 为外接电阻）；
  ③ 输入阻抗高、失调电压小。
• 应用：高精度测量场景（如应变桥、热电偶、压力传感器的差分信号放大）。

3. 可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier, PGA）

放大倍数可通过数字信号（如 I2C、SPI 协议）动态调节的集成放大器（如 AD8253、PGA280）。

• 优点：无需手动更换电阻，适应信号幅值变化范围大的场景（如多通道传感器采集）；
• 应用：工业自动化、医疗设备（如心电信号采集，需根据信号强度调整增益）。

二、滤波电路：抑制噪声与干扰

原始信号中常夹杂环境噪声（如工频 50/60Hz、射频干扰）或高频杂波，滤波电路可选择性保留目标频率信号，滤除无用干扰。按滤波特性分为四类核心类型：

滤波类型	核心功能	典型电路 / 芯片	应用场景
低通滤波（LPF）	保留低频信号，滤除高频干扰	RC 有源滤波、MAX291（8 阶 LPF）	传感器慢变信号（如温度、压力），抑制高频噪声
高通滤波（HPF）	保留高频信号，滤除低频漂移	RC 有源滤波、AD8221（集成 HPF）	动态信号（如振动、声音），消除传感器零漂（如热电偶冷端漂移）
带通滤波（BPF）	仅保留某一频段（中心频率 f0）信号	压控电压源（VCVS）滤波、MAX275	特定频率信号提取（如心电信号中的 5~30Hz 频段、射频信号接收）
陷波滤波（ Notch）	精准滤除单一频率（如 50/60Hz）干扰	双 T 网络滤波、AD628（集成 50/60Hz 陷波）	抑制工频干扰（如实验室测量、医疗设备）

• 注：实际应用中，“RC 无源滤波” 仅适用于对滤波精度要求低的场景；高精度场景需用 “有源滤波”（含运放，带负载能力强）或集成滤波芯片（体积小、稳定性高）。

三、电平转换与偏移电路：匹配信号范围

传感器输出信号可能存在直流偏移（如信号在 - 1~1V 波动）或电平不匹配（如 ADC 输入范围为 0~3V），需通过以下电路调整：

1. 电平偏移电路

将信号的直流分量整体平移，使信号落在目标范围内。例如：

• 原始信号为 - 0.5~0.5V（双极性），需转换为 0~1V（单极性）以匹配单电源 ADC：
  利用运放构成 “加法电路”，叠加 0.5V 直流偏置（如通过基准电压源 REF 提供），公式：Vout = Vin + 0.5V。
• 典型器件：基准电压源（如 REF3030，输出 3.0V 精准偏置）。

2. 电平转换电路

解决不同电路模块间的电压域差异（如传感器输出 3.3V 信号，需转换为 5V 给 ADC）。

• 分类：
  ① 单向转换：如用 NPN 三极管、MOS 管构成的开关电路（低成本，适用于数字信号）；
  ② 双向 / 精准转换：集成芯片（如 TXB0108，支持 3.3V 与 5V 双向电平转换，适用于模拟 / 数字混合信号）。
• 应用：跨电压域系统（如 3.3V 传感器与 5V ADC 的连接）。

四、隔离电路：消除共地干扰

当信号源与采集系统存在地电位差（如工业现场的强电设备接地与采集电路接地不同）时，会产生共地干扰，导致信号失真甚至损坏设备。隔离电路通过 “电气隔离” 切断地环路，分为两类：

1. 光电隔离（Opto-Isolation）

利用光耦合器（光耦，如 TLP521-4）实现 “电 - 光 - 电” 转换，输入与输出无直接电气连接。

• 优点：成本低、体积小；缺点：线性度较差（模拟信号隔离易失真）、带宽有限（通常＜1MHz）。
• 应用：对线性度要求不高的场景（如开关量信号隔离、低频模拟信号传输）。

2. 电磁隔离（Magnetic Isolation）

基于变压器或隔离放大器（如 ADUM1400、ISO124），通过电磁感应传递信号，线性度远优于光耦。

• 核心优势：线性度高（失真度＜0.1%）、带宽宽（可达 10MHz 以上）、隔离电压高（如 2.5kVrms）；
• 应用：高精度模拟信号隔离（如医疗设备的生理信号采集、工业高压环境下的传感器信号传输）。

五、桥式信号调理电路：针对桥路输出

应变片、压力传感器等常采用惠斯通电桥（ Wheatstone Bridge）作为前端转换结构，其输出为微弱差分信号（mV 级），需专用调理电路：

1. 桥路激励电路

为惠斯通电桥提供稳定的激励电压 / 电流（桥路输出与激励信号成正比，激励不稳定会导致误差）。

• 类型：恒压激励（如用 REF5050 提供 5V 精准电压）、恒流激励（如用 AD8210 提供 1mA 恒流）；
• 特点：恒流激励抗线阻干扰能力更强（适用于长距离传感器布线）。

2. 桥路失衡补偿电路

由于传感器制造误差，惠斯通电桥可能存在 “零点失衡”（无输入时输出非零），需通过补偿电路消除：

• 方法：串联 / 并联补偿电阻（如在桥臂上并联微调电阻），或用集成桥路调理芯片（如 AD8556，内置零点补偿和增益调节功能）。

总结：典型调理电路的组合应用

实际系统中，信号调理电路需根据原始信号特性组合使用，例如：
“热电偶温度采集” 的调理链路：
热电偶输出（μV 级差分信号）→ 仪表放大器（AD620，放大至 mV 级）→ 高通滤波（消除冷端漂移）→ 50Hz 陷波滤波（抑制工频干扰）→ 电平偏移（将 - 1~1V 转换为 0~2V）→ ADC 输入。

选择调理电路的核心原则：匹配信号特性（幅值、频率、阻抗）+ 满足后续设备要求（ADC 范围、精度）+ 适应应用环境（噪声、干扰强度）。