低成本傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)考慮
加入技術(shù)交流群
D = FS x K x (Rt/R1)公式14
由公式14 可以看出，R2不影響讀數(shù)；R2降低了Rt所消耗的功率。如果沒有R2的話，Rt的自身熱量將導(dǎo)致溫度示數(shù)出現(xiàn)很大誤差。R2還降低了ADC的共模輸入電壓。這對(duì)某些共模輸入電壓范圍小于電源電壓的ADC是非常必要的。
類似于MAX1403的ADC包含用于驅(qū)動(dòng)RTD的電流源。然而，它們并不是精密電流源，還需要進(jìn)行一些校準(zhǔn)。校準(zhǔn)通常是采用一個(gè)額外的ADC輸入來測量由相同的電流源驅(qū)動(dòng)的參考電阻來實(shí)現(xiàn)的。然后，采用軟件按照已知電阻的測量值依比例確定未知電阻的測量值。雖然這種技術(shù)可以很好地工作，不過，將R1作為參考電阻更加簡單并且無需額外的ADC輸入。板上的電流源仍能用來激勵(lì)RTD和參考電阻。用一個(gè)電流源替換圖6中的R2不會(huì)對(duì)公式14產(chǎn)生影響。
一些ADC可提供兩個(gè)互相匹配的電流源用于精確測定遠(yuǎn)程RTD。在這些應(yīng)用中長導(dǎo)線的電阻會(huì)增加RTD的阻抗，從而產(chǎn)生誤差，必須想辦法去除。成本最低的解決方案是采用三線RTD。如圖7所示，電流源1可用于產(chǎn)生RTD兩端的壓降。該電流源還在通向RTD的上部導(dǎo)線上產(chǎn)生額外的壓降。為了補(bǔ)償這個(gè)多余的壓降，用電流源2在中間的導(dǎo)線上產(chǎn)生一個(gè)壓降。通過RTD底部的導(dǎo)線使這兩個(gè)電流源流向地。RTD上三根導(dǎo)線的長度和材料都相同，這樣可使彼此之間的電阻非常接近。匹配電阻傳送匹配電流可產(chǎn)生匹配的壓降。因此，上部的兩根導(dǎo)線壓降彼此抵消，ADC上的差分輸入電壓與RTD兩端的電壓相同。
圖7. MAX1403 ADC有兩個(gè)匹配的電流源，在該電路中，電流源1用于產(chǎn)生RTD兩端的壓降，電流源2用于產(chǎn)生中間導(dǎo)線的壓降。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/161703.htm
溫度和壓力
圖8結(jié)合了圖5和圖6中的設(shè)計(jì)理念，采用一個(gè)很簡單的電路，以單個(gè)電阻作為基準(zhǔn)同時(shí)測量溫度和壓力。Vs1和Vs2的幅值相差很大。這個(gè)差值可通過改變ADC (例如MAX1415)內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。這些轉(zhuǎn)換器允許PGA對(duì)每個(gè)通道都設(shè)置不同的增益。增益的改變可使公式4中的K值改變，因此，允許單個(gè)參考電壓能夠適應(yīng)較寬范圍的輸入電壓。
圖8. 用單個(gè)電阻作為基準(zhǔn)的簡單電路測量溫度和壓力
惠斯通電橋
惠斯通電橋是由Charles Wheatstone爵士(1802至1875)在電子學(xué)發(fā)展的早期階段發(fā)明的。惠斯通電橋通過對(duì)三個(gè)已知電阻值和一個(gè)未知電阻值進(jìn)行比較來測量電阻。當(dāng)電橋恰好達(dá)到平衡時(shí)，電阻測量值與激勵(lì)電壓、儀表精度或電路中的儀表負(fù)載無關(guān)。在尚不具備電壓標(biāo)準(zhǔn)和高品質(zhì)儀表的時(shí)代，這個(gè)條件是非常重要的。然而，橋式電路在當(dāng)前仍很流行，因?yàn)樵谒须姌螂娮杈哂邢嗤臏囟认禂?shù)時(shí)，它們不會(huì)產(chǎn)生大的失調(diào)并能抑制溫度效應(yīng)。
圖9是一個(gè)由同一電壓源供電的兩個(gè)分壓器組成的惠斯通電橋。習(xí)慣將電橋畫成菱形，因?yàn)檫@種形狀強(qiáng)調(diào)了同一電壓源為每個(gè)分壓器供電的重要性。電橋的輸出(Vo)是兩個(gè)分壓器輸出電壓之差(公式15)。當(dāng)Vo為零時(shí)，稱電橋達(dá)到平衡。在這種條件下，因?yàn)閂e與一個(gè)為零項(xiàng)相乘，所以激勵(lì)電壓(Ve)的精確值并不重要。公式16可計(jì)算出平衡電橋中未知電阻(Ru)的阻值。在實(shí)際應(yīng)用中，通常使Ra = Rb，這樣公式16可簡化為Ru = Rc。 
圖9. 由同一個(gè)電壓源供電的分壓器組成的惠斯通電橋示意圖
Vo = Vb(Rc/(Rc+Ru) - Rb/(Ra+Rb))公式15
若Vo = 0，則Ru = Rc x Ra/Rb公式16
目前已經(jīng)很少使用平衡電橋電路測量電阻，但是在傳感器中采用非平衡電橋相當(dāng)常見。在工廠校準(zhǔn)時(shí)，電橋通常被平衡在一個(gè)優(yōu)選的工作點(diǎn)上；通過測量電橋中的不平衡來測量與該點(diǎn)的偏差。下面舉例說明以該方式使用電橋的優(yōu)點(diǎn)。
假定將一個(gè)硅應(yīng)力計(jì)與薄膜相粘合，構(gòu)成一個(gè)壓力傳感器，并具有所期望的壓力分辨率(0.1%)。在0psi和25°C條件下，電阻的阻值為5000Ω。在100psi (滿量程壓力)和25°C的條件下，電阻值增加2%，達(dá)到5100Ω。除了對(duì)應(yīng)力敏感，電阻對(duì)溫度也敏感，具有2000ppm/°C的電阻溫度系數(shù)(TCR)。
由于在整個(gè)壓力范圍內(nèi)電阻變化了100Ω，因此必須能夠分辨0.1—＃937；的電阻才能獲得0.1psi (0.1%)的壓力分辨率。測量5000Ω中的0.1Ω相當(dāng)于50,000分之一或15.6位的分辨率。比分辨率更嚴(yán)重的問題是溫度變化的影響。由于電阻具有較高的TCR，溫度每變化1°C，相當(dāng)于壓力變化10psi對(duì)電阻的影響。每攝氏度的溫度變化對(duì)電阻的影響相當(dāng)于滿量程的10%。
現(xiàn)在考慮電橋電路中采用相同的電阻，激勵(lì)電壓為2V時(shí)的情況。其他三個(gè)電阻都是5000Ω，并和感應(yīng)電阻具有相同的TCR。這些電阻的安裝條件能夠保證其等溫。這種方式具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。
評(píng)論