低成本傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設計考慮

電流驅(qū)動的電橋

在低噪聲環(huán)境或者系統(tǒng)中，若壓力傳感器緊挨ADC放置，可能沒有必要使用帶信號放大的傳感器。在這些應用中，低成本橋式輸出傳感器更適合。為了降低傳感器成本，同時在整個溫度范圍內(nèi)提供良好的性能，許多此類壓力傳感器，如Nova Sensor公司的NPI-19系列[3]都是由電流源供電而不是電壓源供電。(更詳細的論述請參見附錄1)。公式8給出了這種電流驅(qū)動的傳感器的輸出，其中Ie是激勵電流。

Vs= Ie (S x P+C)公式8

圖4給出了一個常用于橋式輸出傳感器的電流源。該電流源由一個低溫度系數(shù)電阻，一個運算放大器及一個電壓基準組成。如果ADC和壓力傳感器整合于一個部件中，則電流源的電壓基準也可為ADC提供參考電壓。在圖4的電路中，電壓基準同時被用來穩(wěn)定傳感器和ADC，使它們不受變化的溫度和電源電壓的影響。


圖4. 該設計中電流驅(qū)動傳感器的電流源由一個電阻，一個運算放大器和一個電壓基準組成。

與圖4類似的另一種方法如圖5所示的電路，無需電流源或電壓基準。需要注意的是：雖然傳感器和ADC的組合在整個溫度范圍內(nèi)都很穩(wěn)定，但是ADC和傳感器都具有很大的溫漂。如果單獨測量，傳感器的靈敏度將隨溫度的升高而降低，而ADC的靈敏度則升高。由于在整個溫度范圍內(nèi)ADC輸出不是穩(wěn)定的，所以將該方法用于ADC有多路輸入的電路時必須特別小心。


圖5. 傳感器和ADC組合的另一種設計方法，無需獨立的電流源或電壓基準。

從圖5可以得出公式9：

Vref = Ie x R1公式9

將公式9中的Vref和公式8中的Vs代入上述ADC的公式4 ，得出公式10。

D = [Ie (S x P+C)/(Ie x R1)](FS x K)公式10

因為分子和分母中含有激勵電流(Ie)，因此可消去。 由此可得到公式11，表示輸出與激勵電流無關(guān)。如果將公式11中的常數(shù)項合并，將再次得出與公式6等效的公式：帶有電壓基準的系統(tǒng)。

D = P(S x FS x K/R1)+C(FS x K/R1)公式11

如果R1作為一個常數(shù)，它必須具有較低的溫度系數(shù)。與圖4相比，圖5要求R1具有良好的溫度穩(wěn)定性，這并不是其缺點，因為圖4中的電阻也必須具有良好的溫度穩(wěn)定性。

公式11中沒有R2，而且電路中也不需要R2。但是，對R2進行分析是為了說明它并不影響ADC讀數(shù)。R2可用另一個電流驅(qū)動的壓力傳感器、RTD或一個固態(tài)開關(guān)的電阻代替，而不會影響ADC讀數(shù)。

理論上，可以采用多通道輸入ADC和數(shù)個串聯(lián)驅(qū)動的電流型傳感器。然而，傳感器串聯(lián)會使得激勵電流(Ie)，傳感器信號(Vs)以及參考電壓(Vref)更低。當傳感器串聯(lián)時，需要特別注意對ADC Vref的要求及系統(tǒng)噪聲。

RTD

RTD是另一種通常與電流源配合使用的傳感器。RTD的常用材料是鉑，通常具有約3,800ppm/°C的正溫度系數(shù)。測量RTD的傳統(tǒng)方法是將其作為電阻橋的一個端子。然而，在實際應用中，很少使用電阻橋。低成本高分辨率ADC的存在在，使得只需驅(qū)動一個電流流過RTD，并直接測量RTD兩端的電壓這種簡單方案更為經(jīng)濟。這種方法避免了非平衡橋的非線性問題，并且省去了組成電阻橋的三個精密電阻。

圖6中的電路也無需利用電橋或者穩(wěn)定的電流源來測量RTD (Rt)。該電路只需要一個穩(wěn)定的基準電阻(R1)和一個低等級的限流電阻即可。


圖6. 無需電阻橋或穩(wěn)定電流源來測量Rt的電路

由圖6可以得出下列公式：

Vs = (V+) x Rt/(R1+R2+Rt)公式12

Vref = (V+) x R1/(R1+R2+Rt)公式13

將公式12中的Vs和公式13中的Vref代入公式4，得出圖6中ADC的輸出。經(jīng)過簡化可得公式14。公式14表示：如果R1是定值，D則正比于、且僅隨Rt的變化而變化，這正是所期望的結(jié)果。