低成本傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計考慮
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該應(yīng)用中電橋的最大優(yōu)點(diǎn)是它能抑制溫度引起的變化。分析公式15發(fā)現(xiàn)TCR不再是問題。即使電橋電阻加倍輸出仍保持不變。只要所有電阻按同比例變化，其輸出不變!
電橋的第二個優(yōu)點(diǎn)是降低了分辨率要求。在壓力為0psi時，電橋輸出是0mV，在100psi時電橋輸出為10mV。要測量0.1psi的壓力，則需要從10mV中分辨10µV。相對于直接測量電阻需要15.6位的分辨率而言，只需要10位的分辨率。
從實際應(yīng)用的角度來看，10位ADC不能直接測量10µV的信號。信號必須放大。信號放大的成本可能會使無需外部放大器的高分辨率ADC更吸引人。低分辨率方案的最大優(yōu)點(diǎn)在于其對基準(zhǔn)的要求。設(shè)計能在整個時間和溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定達(dá)到16位分辨率的電壓基準(zhǔn)、電流源或參考電阻通常是不切實際的。
該實例中的數(shù)值選取不是用來刻意突出電橋的重要性。這些數(shù)值對于許多壓阻式壓力傳感器非常典型(見附錄2)。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/161703.htm
惠斯通電橋的線性化
使用非平衡惠斯通電橋的缺點(diǎn)是其具有非線性。公式15分母中的Ru項表示：電橋的輸出與Ru不是線性函數(shù)關(guān)系。電阻變化非常小時線性誤差也很小，而當(dāng)電橋不平衡時線性誤差也變大。幸運(yùn)的是，如果ADC參考電壓來自電橋的話，就可消除這個誤差。
圖10所示為一個帶數(shù)字顯示的簡單溫度傳感器。溫度感應(yīng)元件(Rt)是鉑RTD。選擇鉑是因為其電阻隨溫度線性變化。電橋電路除去0°時的多余信號，這樣可使ADC的讀數(shù)等于溫度。公式17給出了圖10中的電橋信號(Vs)。公式18是ADC的參考電壓。兩信號都是Rt的非線性函數(shù)，但是它們共同作用的結(jié)果是線性的。 
圖10. 在具有數(shù)字顯示的簡單的溫度傳感器中，電橋電路除去0°時的多余信號，使得ADC讀數(shù)等于溫度。
Vs = (Vb)(R3/(R2+R3) - (R1/(R1+Rt))公式17
Vfer = (Vb)(R1/(R1+Rt)公式18
ADC的輸出(公式19)是將公式17和18中的Vs和Vref分別代入公式4中得出的。公式19表示采用這個參考電壓時，ADC輸出變?yōu)镽t的線性函數(shù)，并減去所期望的偏移項。
D = Rt(R3/(R1(R2+R3)) - R2/(R2+R3)公式19
在圖10中，R3b和R1b分別調(diào)節(jié)失調(diào)量和靈敏度。當(dāng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時，顯示器將直接以°C或°F為單位顯示溫度的大小。唯一的一個明顯誤差來自RTD自身的非線性。0°C至100°C范圍內(nèi)該誤差僅為十分之幾攝氏度。
通過MAX1492 ADC的串行接口，還可對圖10電路的失調(diào)誤差和靈敏度誤差進(jìn)行數(shù)字校正。這種校準(zhǔn)方法不僅無需R1a和R3a，而且還提供了校正RTD中線性誤差的機(jī)會。如果需要更高的測量分辨率，可用MAX1494替換MAX1492，可使分辨率上升一位。
根據(jù)公式19，R4的值不會影響讀數(shù)。電路中增加R4可以降低RTD的自身熱量。同時也減弱了來自電橋的信號，并且降低了參考電壓。雖然MAX1492無內(nèi)部PGA，但是它允許使用較小的參考電壓。使用較小的參考電壓可以省去額外的放大電路。
結(jié)束語
在許多傳感器應(yīng)用中，利用簡單電路，使傳感器輸出和ADC參考輸入之間保持適當(dāng)?shù)年P(guān)系，可以省去電壓基準(zhǔn)和電流源。除了降低成本和節(jié)省空間之外，這些電路還可消除不理想基準(zhǔn)所引入的誤差，改善性能。
相類似的文章發(fā)表于2005年7月的Sensors雜志。
附錄1. 電流驅(qū)動傳感器的綜合特性
目前最常見的壓力傳感器是由硅晶片制成的，硅晶片類似于計算機(jī)芯片。采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)，將四個壓敏電阻植入硅片，并用金屬引線連接電阻構(gòu)成電橋結(jié)構(gòu)。然后，在硅晶片的背面有選擇地蝕刻硅片，就可產(chǎn)生一個很薄的隔膜。當(dāng)完成后，硅晶片的背面看起來像具有凹坑的華夫餅干，每一個凹坑對應(yīng)一個獨(dú)立的壓力傳感器。批量生產(chǎn)使這種傳感器成本降低。硅晶片的特性使其具有高強(qiáng)度，并提供相對較大的輸出信號。
硅晶片還具有導(dǎo)致這些傳感器靈敏度隨溫度變化下降的不良特性，變化速率的典型值大于2000ppm/°C。幸運(yùn)的是，電橋電阻的阻抗在靈敏度下降時以相同的速率增加。當(dāng)這些傳感器由一個電流源供電時，電橋電壓則隨靈敏度下降以相同的速率增加。這樣可提供一個在限定溫度范圍內(nèi)與溫度無關(guān)的輸出信號。
為抑制電阻隨溫度變化的影響，至關(guān)重要的是四個電阻要具有相同的溫度系數(shù)(TCR)，并處于相同的溫度。硅傳感器可以很容易地滿足這些要求。小尺寸傳感器可確保溫度一致，同時制作四個電阻可以使得TCR本質(zhì)上完全相同。
習(xí)慣上，還可使四個電阻均隨壓力變化。其中兩個電阻的阻值隨壓力增加而增加，另兩個電阻的阻值則隨壓力增加而減小。這不僅使電橋輸出增加了四倍，而且還消除了由單個有源元件組成的非平衡電橋中存在的非線性誤差。
附錄2. 電壓調(diào)節(jié)器與電壓基準(zhǔn)
大多數(shù)電路至少具有一個穩(wěn)壓器來為IC提供一個穩(wěn)定的供電電壓。雖然這些穩(wěn)壓器的精度、電源抑制和溫度穩(wěn)定性很適合為IC供電，但其無法滿足高精度模擬測量對于穩(wěn)定性的需求。電壓基準(zhǔn)在整個寬溫度范圍內(nèi)都相當(dāng)精確，但不具有穩(wěn)壓器的負(fù)載處理性能。例如，低噪聲穩(wěn)壓器MAX8510具有優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo)，甚至可以在低精度應(yīng)用中作為基準(zhǔn)。然而，MAX8510的電壓穩(wěn)定性等級要低于諸如MAX6126的低噪聲電壓基準(zhǔn)。MAX6126具有良好的初始精度和穩(wěn)定性，但它僅能提供MAX8510負(fù)載能力1/10的電流。大多數(shù)非比例測量電路同時需要穩(wěn)壓器和電壓基準(zhǔn)。
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