低成本傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)考慮

摘要：大多數(shù)傳感器本質(zhì)上都是模擬的，因此必須數(shù)字化后才可用于當(dāng)前的電子系統(tǒng)中。這篇應(yīng)用筆記的內(nèi)容涵蓋了比率傳感器的基本原理及其與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的配合使用。尤其是，本文還將說明如何利用傳感器和ADC的比率特性來提高精度，同時(shí)減少元件數(shù)目，降低成本，節(jié)省電路板空間。

注：本文中所說的比率特性是指器件輸出與待測(cè)量和其他電壓或電流的比例有關(guān)。

傳感器和阻性檢測(cè)元件

許多傳感器的輸出與其電源電壓都是成比例的。這通常是因?yàn)楫a(chǎn)生輸出的感應(yīng)元件是比率器件。最常見的比率元件是電阻器，其阻值隨被測(cè)量的變化而變化。電阻式溫度檢測(cè)器(RTD)和應(yīng)變計(jì)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測(cè)量。其值是由電阻兩端的電壓與經(jīng)過電阻的電流的比值確定的。

R = V/I公式1 (歐姆定理)

使用阻性元件的傳感器通常令一個(gè)電流流過電阻并測(cè)量其電壓。在輸出傳感器之前，可以將該電壓進(jìn)行放大或電平偏移，但是其大小仍然與流過電阻的電流相關(guān)。如果該電流來自于電源電壓，那么傳感器的輸出與電源電壓成比例。公式2描述了這類比例傳感器的輸出(圖1)，其中Vs是輸出信號(hào)，Ve是激勵(lì)電壓，S是傳感器的靈敏度，P是所測(cè)參數(shù)的量值，C是傳感器的失調(diào)量。

Vs = Ve (P x S + C)公式2


圖1. 比例型傳感器

Honeywell™[1] MLxxx-C系列壓力傳感器是眾多汽車比例傳感器中具有代表性的器件。當(dāng)在5V標(biāo)稱電源電壓下工作時(shí)，失調(diào)電壓為0.5V，滿量程輸出為4.5V。如果改變激勵(lì)電壓，失調(diào)電壓和滿量程輸出會(huì)隨之按比例變化。

需要知道激勵(lì)電壓才可使用輸出信號(hào)，這在許多應(yīng)用中是很不方便的。為了解決這一問題，制造商在電路上增加了一個(gè)電壓基準(zhǔn)。這種器件可提供非常精確的電壓，并與溫度和電源電壓無關(guān)。如果流經(jīng)感應(yīng)電阻的電流來自于基準(zhǔn)電壓，那么公式2中的Ve可用一個(gè)常數(shù)替換。從而得到公式3，其中的新常數(shù)包含在S2和C2之中。

Vs = P x S2 + C2公式3

因?yàn)檩敵鲂盘?hào)僅為被測(cè)參數(shù)的函數(shù)，所以公式3不是比例關(guān)系。Honeywell公司的MLxxx-R5系列壓力傳感器就是非比例傳感器。當(dāng)在7V和35V之間的任何電源電壓下工作時(shí)，失調(diào)都是1V，滿量程輸出為6V。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與阻性器件

用于將傳感器信號(hào)數(shù)字化的ADC也是比例器件。無論其內(nèi)部架構(gòu)如何，所有ADC都是通過對(duì)未知輸入電壓與已知參考電壓相比較來工作的。轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化輸出是輸入電壓與參考電壓的比值乘以ADC的滿量程讀數(shù)。考慮到內(nèi)部放大和設(shè)計(jì)的多樣性，還需要一個(gè)比例因子K。無論K值大小，只要ADC的配置未改變，K值都保持固定不變。公式4描述了一個(gè)普遍意義上的ADC (圖2)的數(shù)字讀數(shù)(D)和輸入信號(hào)(Vs)，參考電壓(Vref)，滿量程讀數(shù)(FS)以及比例因子(K)間的關(guān)系。

D = (Vs/Vref)FS x K公式4


圖2. 普遍意義上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

參考電壓的來源與ADC的具體設(shè)計(jì)有關(guān)。在一些ADC中參考電壓是電源電壓，而在另一些ADC中參考電壓來自于內(nèi)部基準(zhǔn)源，在其他設(shè)計(jì)中，用戶必須將參考電壓連接至ADC的Vref輸入端。如果使用了內(nèi)部或外部電壓基準(zhǔn)，使參考電壓成為一個(gè)衡定值，則公式4可簡(jiǎn)化為公式5，其中K2是一個(gè)新的常數(shù)，其值為FS x K/Vref。

D = Vs x K2公式5

傳感器的測(cè)量

由一個(gè)非比例傳感器和具有固定參考電壓的ADC組成的小系統(tǒng)的輸出可通過將公式3 (傳感器的輸出)中的Vs (ADC的輸入)代入公式5中得到。如公式6所示。

D = P x S2K2 + C2K2公式6

公式6給出了所需的確切關(guān)系。數(shù)字量值(D)大小與P的變化成比例，并且僅受P改變的影響。D不受溫度和電源電壓變化的影響。

省去電壓基準(zhǔn)

利用電壓基準(zhǔn)穩(wěn)定傳感器和ADC是一種有效且必要的技術(shù)。然而，并非總是最好的技術(shù)。

本文的其余部分將討論如何創(chuàng)造性地利用ADC的參考電壓輸入，從而省去許多傳感器電路中的電壓基準(zhǔn)和電流源。這種設(shè)計(jì)節(jié)省了元件成本、電路板空間以及電壓“凈空”。由于省去了電壓基準(zhǔn)，非理想基準(zhǔn)相關(guān)的誤差也不復(fù)存在，因此精度也有所改善。這種技術(shù)已在汽車工業(yè)中應(yīng)用多年。傳感器和ADC與電源電壓的比例關(guān)系一經(jīng)確定，便無需精確的電壓基準(zhǔn)。

與之相似的采用電流驅(qū)動(dòng)傳感器和單元件阻性傳感器(如RTD)的技術(shù)已不常用了。這些電路中ADC的靈敏度會(huì)隨溫度或電源電壓的變化而變化。雖然如此，ADC和傳感器輸入的組合還是相當(dāng)穩(wěn)定的。

與電源電壓成比例的傳感器

將公式2中的輸入信號(hào)(Vs)代入公式4，便可得到測(cè)量比例傳感器時(shí)ADC的輸出。得出公式7，該公式表示：D是P，Ve和Vref的函數(shù)。

D = P(S x FS x K x Ve/Vref) + C(FS x K x Ve/Vref)公式7

乍一看，公式7中的方法似乎并不理想，因?yàn)檩敵?D)是三個(gè)變量的函數(shù)，而并非僅僅是P的函數(shù)。然而，仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)：Ve/Vref的比值是非常重要的，單獨(dú)的數(shù)值并無太多意義。如果Ve和Vref電壓來自同一個(gè)電源，則很容易得到恒定的Ve/Vref比值。一旦這樣的話，D將與P的變化成比例，并且只與P的變化有關(guān)。設(shè)Ve/Vref比值為一個(gè)常數(shù)，公式7可簡(jiǎn)化為與公式6相似的形式。因此，這就說明無需電壓基準(zhǔn)也能實(shí)現(xiàn)相同的性能。

從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，Ve和Vref必須足夠大，這樣才能避免噪聲干擾； 同時(shí)Ve和Vref還必須處于ADC和傳感器所指定的范圍內(nèi)。用正電源電壓作為Ve和Vref的電壓源通?？梢詽M足上述要求，并且允許為大量并聯(lián)的傳感器供電，如圖3[2]所示。

圖3中MAX1238的前端有一個(gè)12輸入的多路復(fù)用器，且內(nèi)置一個(gè)電壓基準(zhǔn)。在這種情況下，雖沒有與ADC基準(zhǔn)有關(guān)的附加成本，但是如要給10個(gè)傳感器中的每個(gè)都增加基準(zhǔn)則會(huì)使成本明顯增加。 MAX1238還允許AN11輸入作為參考電壓。將AN11作為參考輸入并將其連接至5V電源，可設(shè)置ADC的滿量程輸入為5V，并便于與比例型傳感器配合使用。 在圖3中，MAX1238的內(nèi)部參考電壓并非閑置?？捎密浖刂苾?nèi)部電壓基準(zhǔn)并用于診斷，如測(cè)量電源電壓?？赏ㄟ^連接到輸入AN10的分壓器來實(shí)現(xiàn)。


圖3. MAX1238 ADC允許AN11輸入作為參考電壓，因此，ADC可與比例傳感器配合使用。

圖3的拓?fù)浞浅＿m合汽車應(yīng)用和那些由單電源供電，供電線路上壓降很小的應(yīng)用。并不適合那些工作中必須使用長(zhǎng)導(dǎo)線的傳感器或者是ADC和傳感器由不同電源供電的應(yīng)用。