前言
大多数传感器本质上都是模拟的，为低成本与提高精度，必须数字化后才可用于当前的电子系统中。为此，本文将模数转换器(adc)与传感器设计的基本理念及如何利用传感器和adc的比率特性来提高精度、减少元件数目、降低成本及节省电路板空间等关系到工控捡测系统设计首要环节的技术问题作分析说明。
1、阻性检测的传感器
许多传感器的输出与其电源电压都是成比例的。这通常是因为产生输出的感应元件是比率器件。最常见的比率元件是电阻器，其阻值随被测量的变化而变化。电阻式温度检测器(rtd)和应变计都是典型的阻性敏感元件。
阻性元件的比率性是由于其阻抗不能直接测量。其值是由电阻两端的电压与经过电阻的电流的比值确定的，使用阻性元件的传感器通常令一个电流流过电阻并测量其电压。在输出传感器之前，可以将该电压进行放大或电平偏移，但是其大小仍然与流过电阻的电流相关。如果该电流来自于电源电压，那么传感器的输出与电源电压成比例。
vs = ve (p×s+c)-------------- 公式1
上述公式1描述了这类比例传感器的输出(见图1所示)，其中vs是输出信号，ve是激励电压，s是传感器的灵敏度，p是所测参数的量值，c是传感器的失调量。
例如honeywell公司的 mlxxx-c系列压力传感器是在许多汽车比例传感器中具有代表性的器件。当在5v标称电源电压下工作时，失调电压为0.5v，满量程输出为4.5v。如果改变激励电压，失调电压和满量程输出会随之按比例变化。
若只有在知道激励电压情况下才能使用输出信号，则这在许多应用中是很不方便的。为了解决这一问题，设计者在电路上增加了一个电压基准。这种器件可提供非常精确的电压，并与温度和电源电压无关。如果流经感应电阻的电流来自于基准电压，那么公式1中的ve可用一个常数替换。如honeywell公司的mlxxx- r5系列压力传感器就是非比例传感器。当在7v和35v之间的任何电源电压下工作时，失调都是1v，满量程输出为6v。
2、模数转换器(adc)及与阻性器件的组合
本技术实际上是讨论adc和传感器输入的组合。
2.1 adc设计用的几个基本理念
*adc参考电压、量化与采样
adc是用于将传感器信号数字化的比例器件，见图2(a)所示。adc主要用来采样模拟信号，并将采得的样本值转换威一连串代表那些信号的名字，这一过程叫做量化。
输入信号可以是温度、压力、电压、电流、距离或光强等模拟量，数字值用二进制或二进制编码的十进制(bcd)符号表示。adc输出的位数被称为分辨率。每次量化将产生一个2n位的输出字(其中n代表分辨率)。量化会使输入电压的准确值变得不确定，这种不确定性称做量化误差，量化误差限制adc的动态范围。
adc在量化时需要一个参考电压，这个参考电压可以由另外一个ic提供，也可以由adc内部提供。当adc采样一个模拟波形时，它首先将输入电压除以参考电压，然后再乘上分辨率，并对结果进行编码，见图2(b)所示。
adc会重复执行量化过程。adc量化的速率被称作采样率，采样率用每秒样本数定义。两次采样之间的时间将限制adc能够正确加以转换的信号频率，这在频域中非常容易解释。如果输入信号中的频率分量超过采样频率的一半，那么较高频率的分量信号将出现在较低频段内，这就是众所周知的奈奎斯特理论。
采样和量化是非常重要的概念，它们决定了一个理想adc的性能极限。对于一个理想的adc来说，代码变化只有1个最低有效位(lsb)的间距，因此n位adc有2n个代码，1lsb=fs/2n，其中fs为满幅模拟输入电压。
实际的adc并不能提供与理想adc一样的性能，这也是adc数据手册之所以有这么多交流和直流性能规格的原因。
*adc的数字化输出
无论adc内部架构如何，所有adc都是通过对未知输入电压与已知参考电压相比较来工作的。从图2(b)看出adc的数字化输出是输入电压与参考电压的比值乘以adc的满量程读数。考虑到内部放大和设计的多样性，还需要一个比例因子k。无论k值大小，只要adc的配置未改变，k值都保持固定不变。公式4描述了一个普遍意义上的adc 的数字读数(d)和输入信号(vs)，参考电压(vref)，满量程读数(fs)以及比例因子(k)间的关系。
d = (vs/vref)fs x k --------------------公式2
参考电压的来源与adc的具体设计有关。在一些adc中参考电压是电源电压，而在另一些adc中参考电压来自于内部基准源，在其他设计中，用户必须将参考电压连接至adc的vref输入端。如果使用了内部或外部电压基准，使参考电压成为一个衡定值，则公式4可简化为公式5，其中k2是一个新的常数，其值为fs x k/vref。
d = vs x xk2 ----------------公式3
2.2利用adc的参考电压输入省去传感器电压基准的设计
*传感器的测量
由一个非比例传感器和具有固定参考电压的adc组成的系统的输出为：
d=pxs2k2 + c2k
