比率感測器應用指南

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比率測量是一種依賴比率感測器保持輸入電壓和輸出電壓之間固定比率的能力，而與輸入電壓的變化無關的技術。例如，如果感測器的激勵電壓設定為 5.0VDC，輸出為 2.5VDC，則當激勵電壓為 2.0VDC 時，我們可以預期輸出為 1.0VDC。在這兩種情況下，感測器的輸出都保持在 50%。比率感測器的範例包括 Vishay 線性位置感測器、Allegro 模擬霍爾感測器以及 Murata 等熱敏電阻。

比率測量提供了一種低成本的微控制器與感測器介面方法。有效比率測量的關鍵在於對感測器和微控制器的類比數位轉換器 (ADC) 使用相同的激勵電壓。由於此激勵電壓本身會發生漂移，因此會對感測器和 ADC 都會產生影響。然而，每個裝置的比率特性可以緩解這種影響。例如，假設激勵電壓從 4.9VDC 漂移到 4.2VDC，感測器和 ADC 的比率仍然相等。因此，ADC 的二進位輸出結果保持不變。

本文使用 Arduino Nano Every 示範了比率測量方法，如圖 1 所示。比例測量方法透過測量一個電位器的角旋轉來演示，同時使用第二個電位器來調節激勵電壓。

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圖 1：比率實驗中使用的 Arduino Nano Every 和電位器的圖片。左側的 5kohm 電位器用於調節激磁電壓，右側的電位器是待測元件。

技術提示：比率法不適用於直接或絕對測量，因為它缺乏必要的高精度電壓基準。例如，比率法無法直接測量電壓，因為「真值」電壓測量需要高品質的內部或外部電壓基準。更多資訊請參閱 Arduino 語言參考文件中的 analogReference() 函數。 DigiKey 論壇上的這篇文章探討如何實現外部電壓基準。

比率測量相關術語

在深入探討 Arduino 電路之前，有必要先明確定義與比率測量相關的各種術語。請注意「電壓參考」一詞在不同的上下文中具有不同的含義。

  • 激勵電壓：此電壓既作為微控制器 ADC 的參考電壓，也作為感測器的供電電壓。

  • 電壓基準（物理基準）：物理電壓基準可以是外部設備，也可以是嵌入微控制器晶片中的電路。預設情況下，Arduino 配置為使用電源軌作為電壓基準。比例測量的目的是降低性能要求或省去相對昂貴的物理電壓基準。

  • 電壓基準（ADC 輸入）：大多數 ADC 的核心工作原理是電壓比較。在正常工作模式下，電壓基準是 ADC 的關鍵輸入，因為它決定了電壓測量的真實值。例如，假設我們使用一個外部精度為 1.024V 的電壓基準來驅動 10-bit 微控制器的 ADC。ADC 的每次計數相當於 1mV。例如，一個 0.5VDC 的訊號會被記錄為 ADC 輸出 500。但是，如果電壓基準漂移到 1.014VDC，那麼同樣的 0.5VDC 輸入訊號會被記錄為錯誤的 ADC 輸出 495。

  • 比率式：比率式是指感測器和測量設備（例如微控制器）都屬於比率式測量。感測器和類比數位轉換器 (ADC) 共用一個激勵電壓。理想情況下，這兩個裝置會隨著激勵電壓的變化而同步變化，從而降低了對高品質外部電壓基準的需求。

Arduino 演示

圖 2 所示為基於 Arduino 的示範電路原理圖。激勵電壓由可變電阻 R1 設定。可變電阻 R2 用作比率感測器。為了使該系統正常運作，我們使用 analogReference(EXTERNAL) 命令將 Arduino 的 ADC 配置為外部感測器。透過此程式碼更改，我們可以看到激勵電壓在 Arduino 的 ADC 和 R2 位置感測器的輸入端（頂部）之間共用。

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圖 2：基於 Arduino 的比率實驗測試電路。電阻值並非關鍵參數，1kohm 至 10kohm 之間的電阻值均可接受

比例測試

為了測試電路，我們將 R2 設定為已知位置。然後，我們將透過 R1 調節激勵電壓。在理想情況下，改變激勵電壓 (R1) 不會影響 R2 的測量值。

以下 Arduino 程式碼用於測試。請注意，R2 的軸位置以 10-bit ADC 計數的百分比表示。

void setup( ){
  analogReference(EXTERNAL);
  Serial.begin(9600);
}
void loop( ){
  float rawVal = analogRead(A7);
  float position = (rawVal / 1024) * 100;
  Serial.println(position);
  delay(500);
}

結果

結果並不顯著。除非激勵電壓降至極低水平，否則將 R1 從 4.5 調整到 2.0 對 ADC 結果沒有影響。事實上，持續調整 R1 對 R2 電位器的測量角度也沒有影響。這是一個好消息，因為實驗顯示比率測量不受激勵電壓變化的影響。

技術提示：本實驗使用可變電阻作為激勵電壓。實際上，使用 Arduino 的預設電源軌作為激勵電壓更為方便。但通常不建議這樣做，因為電源軌電壓會隨電腦 USB 電壓、穩壓器或電池狀態而波動。電源軌電壓也會根據連接到微控制器的負載類型和數量而變化。比例式測量的優點在於，這些自然的電壓變化不會對測量結果產生顯著影響。

技術提示：務必確保比率式感測器的電壓與微控制器的電壓軌相符。請注意，微控制器有 5.0V 和 3.3V 兩種電壓軌。許多舊式感測器與 3.3V 微控制器不相容。

結語

比率式感測器/微控制器組合提供了一種低成本的方法，能夠提供被測系統的真實值。與現代且更複雜的 I^2C 或 SPI 設備相比，這可能是您專案的理想解決方案。

請務必完成本文末尾的問題和批判性思考題，以檢驗您的知識。此外，請在下方留言區留下您的問題和評論。我們非常樂意收到您的回饋，特別是如果您有使用比率式感測器的項目。

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`問題

以下問題將有助於鞏固文章內容。

  1. 請定義應用於感測器的比率式測量。

  2. 請定義擴展後的比率式測量，並將其應用於微控制器的類比數位轉換器 (ADC)。

  3. 比率式測量通常僅用於描述感測器。為什麼這種觀點過於片面？提示：ADC 電壓基準。

  4. 為什麼比例式電壓測量並非理想選擇？

  5. 假設微控制器配置為使用高精度 4.096VDC 外部電壓基準，然後測量由 Arduino 5VDC 電源軌供電的比率式位置感測器。請描述 Arduino 電源軌電壓變化和 4.096VDC 基準電壓波動對測量結果的影響。

  6. 結合上一個問題，如果感測器和 ADC 都由經過適當緩衝的 4.096VDC 電壓基準供電，情況會有何變化？

  7. 當應用於比率法時，「雙方共有的因素從計算中剔除」這一表達是什麼意思？請具體說明哪些因素會被剔除？

  8. Arduino Nano Every 是一個 5VDC 的設備。
    A) 可以安全施加在類比輸入接腳的最大電壓是多少？
    B) 3.3VDC 微控制器的最大安全電壓是多少？
    C) 5VDC 比率感測器的輸出能否連接到 3.3VDC 的類比輸入引腳？
    D) 如何使用分壓器將 5VDC 感知器連接到 3.3VDC 微控制器？

  9. 研究惠斯登（Wheatstone）電橋的工作原理。這座橋是比率系統嗎？它與比率感測器有哪些共同特徵？

  10. 展示熱敏電阻與微控制器介面的原理圖。確定比例響應所需的接線。提示：根據需要新增其他元件。

批判性思考問題

這些批判性思考問題旨在拓展文章內容，幫助讀者從整體上理解材料及其與相關主題的關係。這些問題通常是開放式的，需要進行研究，並且最好以論文的形式作答。

  1. 比率測量技術在緩解激勵電壓變化方面表現出色。那麼，這些優勢是否也能擴展到溫度變化、元件非線性響應和自然老化等情況呢？

  2. 繪製基於運算放大器的激勵電壓緩衝器的原理圖。為獲得滿分，請標示電壓基準、感測器和微控制器。提示：您是否考慮了運算放大器的電壓開銷？

  3. 關於上一題，請列出您選擇的採用固態比率感測器的系統所需的 DigiKey 零件編號。假設所有零件均為 5V 直流。提示：請特別注意每個組件的電壓要求。

  4. 使用新的感測器和 3.3VDC 微控制器重複前兩個問題。提示：必要時可使用多個電源軌電壓和外部 I2C ADC。

  5. 另一種硬體解決方案是使用微控制器 ADC 進行比例計算，該 ADC 可以同時測量激勵電壓和感測器輸出。此方法使用分壓器將 5VDC 訊號降至 3.3VDC。請給出原理圖和代碼，並說明使用精密電阻和高品質基準電壓的必要性。

原文作者: Aaron Dahlen | MSEE | Senior Applications Engineer, DigiKey