【E課堂】電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：電阻電橋基礎(chǔ)（二）

　　溫度測(cè)量

　　如果測(cè)量溫度僅僅是為了對(duì)壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，那么，溫度測(cè)量不要求十分準(zhǔn)確，只要測(cè)量結(jié)果與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有足夠的可重復(fù)性即可。這樣將會(huì)有更大的靈活性和較松的設(shè)計(jì)要求。有三個(gè)基本的設(shè)計(jì)要求：避免自加熱、具有足夠的溫度分辨率、保證在ADC的測(cè)量范圍之內(nèi)。

　　使最大Vt電壓接近于最大壓力信號(hào)有利于采用相同的ADC和內(nèi)部增益來測(cè)量溫度和壓力。本例中的最大輸入電壓為+204mV?？紤]到電阻的誤差，最高溫度信號(hào)電壓可保守地選擇為+180mV。將Rt上的電壓限制到+180mV也有利于避免Rt的自加熱問題。一旦最大電壓選定，根據(jù)在85°C (Rt = 132.8Ω)，VB = 5.25V的條件下產(chǎn)生該最大電壓可以計(jì)算得到R1。R1的值可通過式3進(jìn)行計(jì)算，式中的Vtmax是RT上所允許的最大壓降。溫度分辨率等于ADC的電壓分辨率除以Vt的溫度敏感度。式4給出了溫度分辨率的計(jì)算方法。(注意：本例采用的是計(jì)算出的最小電壓分辨率，是一種較為保守的設(shè)計(jì)。你也可以使用實(shí)際的ADC無噪聲分辨。)

　　R1 = Rt × (VB/Vtmax - 1)(式3)

　　R1 = 132.8Ω × (5.25V/0.18V - 1) ≈ 3.7kΩ

　　TRES = VRES × (R1 + Rt)2/(VB × R1 × ΔRt/°C)(式4)

　　這里，TRES是ADC所能分辨的攝氏溫度測(cè)量分辨率。

　　TRES = 30μV/count × (3700Ω + 132.8Ω)2/(4.75V Ω 3700Ω × 0.38Ω/°C) ≈ 0.07°C/count

　　0.07°C的溫度分辨率足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。但是，如果需要更高的分辨率，有以下幾個(gè)選擇：使用一個(gè)更高分辨率的ADC;將RTD換成熱敏電阻;或?qū)TD用于電橋，以便在ADC中能夠使用更高的增益。

　　注意，要得到有用的溫度結(jié)果，軟件必須對(duì)供電電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償。另外一種代替方法是將R1連接到VREF，而不是VB。這樣可使Vt不依賴于VB，但也增加了參考電壓的負(fù)載。

　　優(yōu)化的電壓驅(qū)動(dòng)

　　硅應(yīng)變計(jì)和ADC的一些特性允許圖1電路進(jìn)一步簡化。從式1可以看出，電橋輸出與供電電壓(VB)直接成正比。具有這種特性的傳感器稱為比例傳感器。式5為適用于所有具有溫度相關(guān)誤差的比例傳感器的通用表達(dá)式。在式1中，將VB右邊的所有部分用通用表達(dá)式f(p，t)代替便是式5。這里，p是被測(cè)物理量的強(qiáng)度，而t則為溫度。

　　VOUT = VB × ?(p，t)(式5)

　　ADC也具有比例屬性，它的輸出與輸入電壓和參考電壓的比直接成比例。式6描述了一般的ADC的數(shù)據(jù)讀取值(D)與輸入信號(hào)(Vs)、參考電壓(VREF)、滿量程讀數(shù)(FS)、以及比例因子(K)之間的關(guān)系。該比例因子與具體的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)以及內(nèi)部放大倍數(shù)有關(guān)。

　　D = (Vs/VREF)FS × K(式6)

　　將式6中的Vs用式5中的VOUT表達(dá)式代換，ADC對(duì)于性能的影響就會(huì)顯現(xiàn)出來。結(jié)果見式7：

　　D = (VB/VREF) × ?(p，t) × FS × K(式7)

　　由式7可見，對(duì)于測(cè)量結(jié)果而言，更為重要的是VB和VREF的比值，而非它們的絕對(duì)值。因此，圖1電路中的電壓基準(zhǔn)源可以不用。ADC的參考電壓可以取自一個(gè)簡單的電阻分壓器，只要保持恒定的VB/VREF之比即可。這一改進(jìn)不僅省去了電壓基準(zhǔn)，也免去了對(duì)VB的測(cè)量，以及補(bǔ)償VB變化所需的所有軟件。這種技術(shù)適用于所有比例傳感器。RT和R1串聯(lián)構(gòu)成的溫度傳感器也是比例型的，因此，溫度檢測(cè)也不需要電壓基準(zhǔn)。該電路如圖2所示。

　　圖2. 比例測(cè)量電路示例。壓力傳感器的輸出、RTD電壓、以及ADC參考電壓均與供電電壓直接成正比。該電路無需絕對(duì)電壓基準(zhǔn)，同時(shí)簡化了確定實(shí)際壓力時(shí)所必需的計(jì)算。

　　省去RTD

　　硅基電阻對(duì)溫度十分敏感，根據(jù)這種特性，可用電橋電阻作為系統(tǒng)的溫度傳感器。這不僅降低了成本，而且會(huì)有更好的效果。因?yàn)樗辉偈躌TD和壓敏電橋之間溫度梯度的影響。正像前面所提到的，溫度測(cè)量的絕對(duì)精度并不重要，只要溫度測(cè)量是可重復(fù)的和唯一的。這種唯一性要求限定了這種溫度檢測(cè)方法只能用于施壓后橋路電阻保持恒定的電橋。幸運(yùn)的是，大多數(shù)硅傳感器采用全工作橋，能夠滿足該要求。

　　圖3電路中，在電橋低壓側(cè)串聯(lián)一個(gè)電阻(R1)，從而得到一個(gè)溫度相關(guān)電壓。增加這個(gè)電阻會(huì)減小電橋電壓，從而減小其輸出。減小的幅度一般不是很大，況且只需略微增加增益或減小參考電壓就足以對(duì)其加以補(bǔ)償。式8可用于計(jì)算R1的保守值。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，當(dāng)R1小于RB/2時(shí)，電路能很好地工作。

　　R1 = (RB × VRES)/(VDD × TCR × TRES - 2.5 × VRES)(式8)

　　這里，RB是傳感器電橋的輸入電阻，VRES是ADC的電壓分辨率，VDD是供電電壓，TCR為傳感器電橋的電阻溫度系數(shù)，而TRES是所期望的溫度分辨率。

　　圖3. 用電橋輸出測(cè)量壓力和用電橋電阻測(cè)量溫度的比例電路實(shí)例

　　繼續(xù)上述實(shí)例并假定希望得到0.05°C的溫度分辨率，R1 = (4.5kΩ × 30μV/count)/(((5V × 1200ppm/°C × 0.05°C/count) - 2.5) × 30μV/count) = 0.6kΩ。由于R1小于RB的一半，這一結(jié)果是有效的。在該例中，R1的增加使VB下降12%。在選擇轉(zhuǎn)換器時(shí)，可以將17.35位的分辨率要求向上舍入為18位。增加的分辨率用于補(bǔ)償VB降低的影響綽綽有余。

　　溫度上升時(shí)，電橋電阻的上升使電橋上的電壓降也上升。這種VB隨溫度的變化形成了一個(gè)附加的TCS項(xiàng)。正好該值為正值，而傳感器的固有TCS值是負(fù)數(shù)，這樣，將一個(gè)電阻與傳感器串聯(lián)實(shí)際會(huì)減小未經(jīng)補(bǔ)償?shù)腡CS誤差。上面的校準(zhǔn)技術(shù)仍然有效。只是需要補(bǔ)償?shù)恼`差略小了一些。

　　電流驅(qū)動(dòng)

　　有一類特殊的壓阻式傳感器被稱為恒流傳感器或電流驅(qū)動(dòng)傳感器。這些傳感器經(jīng)過特殊處理，當(dāng)它們采用電流源驅(qū)動(dòng)時(shí)，靈敏度在溫度變化時(shí)保持恒定(TCS ≈ 0)。電流驅(qū)動(dòng)傳感器經(jīng)常增加附加電阻，可以消除或者顯著降低偏移誤差和OTC誤差。這實(shí)際上是一種模擬的傳感器校準(zhǔn)技術(shù)。這可以將設(shè)計(jì)者從繁雜的工作中解放出來，不必對(duì)每個(gè)傳感器在不同溫度和壓力下進(jìn)行測(cè)量。這種傳感器在寬溫范圍內(nèi)的絕對(duì)精度通常不如數(shù)字校準(zhǔn)的傳感器好。數(shù)字技術(shù)仍然能用于改善這些傳感器的性能，通過測(cè)量電橋上的電壓很容易獲得溫度信息，其靈敏度通常大于2000ppm/°C。圖4所示是一種電流驅(qū)動(dòng)的電橋電路。該電路使用同一個(gè)電壓基準(zhǔn)源來建立恒定電流和為ADC提供基準(zhǔn)電壓。

　　圖4. 該電路使用了一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)傳感器，采用傳統(tǒng)的電流源電路驅(qū)動(dòng)

　　省去電流源

　　理解了電流驅(qū)動(dòng)式傳感器如何對(duì)STC進(jìn)行補(bǔ)償，就可以采用圖5電路在不帶電流源的情況下達(dá)到與圖4電路相同的效果。電流驅(qū)動(dòng)傳感器仍具有一個(gè)激勵(lì)電壓(VB)，只是VB并不固定于電源電壓。VB由電橋阻抗和流過電橋的電流來決定。如前所述，硅電阻具有正溫度系數(shù)。這樣，當(dāng)電橋由電流源供電時(shí)，VB將隨溫度的升高而增加。如果電橋的TCR (阻抗溫度系數(shù))與TCS幅值相等而符號(hào)相反，那么，VB將隨著溫度以適當(dāng)?shù)谋嚷试黾?，?duì)靈敏度的降低進(jìn)行補(bǔ)償。在某個(gè)有限的溫度范圍內(nèi)，TCS將接近零。

　　圖5. 此電路采用電流驅(qū)動(dòng)傳感器，但無需電流源和電壓參考

　　從7出發(fā)，將其中的VB用IB × RB來代換，即可得到圖4電路中的ADC輸出方程?？傻玫焦?，其中，RB是電橋的輸入電阻，IB是流經(jīng)電橋的電流。

　　D = (IB × RB/VREF) × ?(p，t) × FS × K(式9)

　　圖5電路能夠提供與圖4電路相同的性能，而不需要電流源或電壓參考。這可以通過比較兩個(gè)電路的輸出來說明。圖5中的ADC輸出可由式7出發(fā)得到，將其中的VB和VREF替代為相應(yīng)的表達(dá)式即可。結(jié)果如式10：

　　重復(fù)式7： D = (VB/VREF) × f(p，t) × FS × K

　　對(duì)于圖5電路： VB = VDD × RB/(R1 + RB)

　　和VREF = VDD × R1/(R1 + RB)

　　將它們代入等式7可得到式10：

　　D = (RB/R1) × ?(p，t) × FS × K(式10)

　　如果選擇R1等于VREF/IB，那么式9和式10是完全相同的，這就表明，圖5電路也會(huì)得出和圖4電路相同的結(jié)果。為了得到相同的結(jié)果，R1必須等于VREF/IB，但這不是溫度補(bǔ)償所要求的。只要RB乘以一個(gè)溫度無關(guān)的常數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。R1可選擇最適合于系統(tǒng)要求的電阻值。

　　當(dāng)使用圖5電路時(shí)，要記住ADC的參考電壓隨溫度變化。這使得ADC不適合用來監(jiān)測(cè)其它系統(tǒng)電壓。事實(shí)上，如果需要進(jìn)行溫度敏感測(cè)量來實(shí)現(xiàn)額外的補(bǔ)償，可以使用一個(gè)額外的ADC通道來測(cè)量供電電壓。還有，在使用圖5電路時(shí)，必須注意要確保VREF位于ADC的規(guī)定范圍之內(nèi)。

　　結(jié)論

　　硅壓阻式應(yīng)變計(jì)比較高的輸出幅度使其可以直接和低成本、高分辨率Σ-Δ ADC接口。這樣避免了放大和電平移位電路帶來的成本和誤差。另外，這種應(yīng)變計(jì)的熱特性和ADC的比例特性可被用來顯著降低高精度電路的復(fù)雜程度。