感測器與訊號調理

比例式量測(ratiometric measurement)

比例式量測是一種讓讀數「不在乎確切電源電壓」的巧妙做法。通常,若你感測器的輸出取決於電源、而電源漂移,你的讀數也跟著漂。比例式的把戲是:用同一個電源同時供電給感測器與轉換器的電壓參考。如此一來,若電源下垂或晃動,感測器輸出與參考都以相同的比例移動,而它們之間的比值——也正是轉換器真正量測的東西——穩如磐石。漂移自我抵消了。

機制如下。轉換器其實不量伏特;它量的是輸入對參考的比值,把 輸入/參考 報成一個數。若一個分壓器、電橋或電位器由電源 Vs 供電,其輸出是某個比例 times Vs。用同一個 Vs 當轉換器參考,讀數就變成 (比例 times Vs) / Vs = 只剩那個比例——Vs 完全抵消。代入數字:電位器在 5.0 V 電源上轉到 60%,輸出 3.0 V;用 5.0 V 參考,轉換器讀出滿幅的 0.60。讓電源掉到 4.8 V:電位器現在輸出 2.88 V,但參考也是 4.8 V,所以轉換器仍讀 0.60。乾淨通過的是位置,而非電壓。

為何重要:比例式量測是處理電阻式感測器——電位器、惠斯登電橋、荷重元、電橋中的 RTD——的自然、幾乎免費的方法。它免去昂貴、超穩定的電源或參考,並免費拒斥電源雜訊。誠實的限制:它只在感測器輸出確實與「和參考同一來源」一起縮放時成立(電阻式、比例式感測器),而那個共用來源必須真正共用且低雜訊。對絕對式感測器——輸出是固定電壓者,如熱電偶或能隙參考元件——比例式並不適用,那裡你確實需要一個穩定、準確的參考。

一顆 2 mV/V 的荷重元由 5 V 激勵,一顆 16 位元轉換器用同一個 5 V 當參考。若 5 V 電源漂到 4.9 V,荷重元輸出按比例縮小,但參考也一起縮小,所以數位讀數完全不動——重量保持正確,無需任何精密電壓參考。

讓感測器與參考共用電源,電源漂移便抵消。

比例式只對「輸出與轉換器參考同一來源一起縮放」的感測器有效(電阻式電橋、電位器、RTD)。對熱電偶這種絕對式感測器,這把戲毫無作用,你確實需要一個穩定、準確的電壓參考。

又称
ratiometric sensing比率量測比例量測