低功耗、溫度補(bǔ)償式電橋信號調(diào)理器和驅(qū)動器

Circuits from the Lab®參考電路是經(jīng)過測試的參考設(shè)計(jì)，有助于加速設(shè)計(jì)，同時簡化系統(tǒng)集成，幫助并解決當(dāng)今模擬、混合信號和RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。 如需更多信息和/或技術(shù)支持，請?jiān)L問：www.analog.com/CN0355

連接/參考器件

評估和設(shè)計(jì)支持

電路評估板

CN-0355評估板(EVAL-CN0355-PMDZ)

系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

SDP-PMOD轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一款適用于電橋型傳感器的完整低功耗信號調(diào)理器，包括一個溫度補(bǔ)償通道。 該電路非常適合驅(qū)動電壓介于5 V和15 V之間的各類工業(yè)壓力傳感器和稱重傳感器。

利用24位Σ-Δ型ADC的內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)，該電路可以處理大約10 mV到1 V的滿量程信號，因此它適用于種類廣泛的壓力傳感器。

整個電路僅使用三個IC，功耗僅1 mA（不包括電橋電流）。 比率式技術(shù)確保系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性不依賴于基準(zhǔn)電壓源。

圖1. 帶溫度補(bǔ)償?shù)牟罘蛛姌蛐蛡鞲衅鞅O(jiān)控器（原理示意圖： 未顯示所有連接和去耦）

電路描述

圖1所示電路基于24位Σ-Δ型ADC AD7793。該ADC有三路差分模擬輸入和一個增益范圍為單位增益到128的片內(nèi)低噪聲PGA，因此非常適合多個傳感器接口。AD7793的最大功耗僅500 μA，因而適合低功耗應(yīng)用。它內(nèi)置一個低噪聲、低漂移帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可采用外部差分基準(zhǔn)電壓。 輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件在4.17 Hz至470 Hz范圍內(nèi)設(shè)置。

AD8420是一款低功耗儀表放大器，電源電流最大值為80 μA，可以采用最高36 V的單電源供電，用于消除橋式傳感器的共模電壓。需要時，它也可為傳感器的小差分信號輸出提供增益。

ADA4096-2是一款雙通道運(yùn)算放大器，每個放大器的典型電源電流為60 μA，具有最高30 V的寬工作輸入電壓范圍，用于驅(qū)動傳感器電橋。ADA4096-2的另一半用作基準(zhǔn)電壓緩沖器。

有很多種類的壓力傳感器需要5 V至15 V之間的電壓驅(qū)動。圖1所示電路為橋式傳感器提供了一種完整的解決方案，包含四個關(guān)鍵部分：傳感器電壓驅(qū)動、儀表放大器、基準(zhǔn)電壓緩沖器和ADC。

橋式傳感器電壓驅(qū)動

ADA4096-2配置為同相放大器，其配置增益由反饋電阻設(shè)置，如圖2所示。

圖2. 傳感器電壓驅(qū)動

增益通過配置表1列出的跳線來設(shè)置。

表1. 特定電壓驅(qū)動的引腳配置

傳遞函數(shù)計(jì)算如下：

VDRIVE

VDRIVE

VREF

VREF

其中，RF可以是40.2 kΩ、91 kΩ或140 kΩ，R8 = 10 kΩ。

NPN晶體管用于提高驅(qū)動橋式傳感器所需的電流。 提供給ADA4096-2反相輸入端的反饋使得反相輸入電壓等于同相輸入電壓，從而確保橋式電路上的電壓驅(qū)動保持恒定的電壓。

晶體管Q1為BJT，最大擊穿電壓為80 V，25°C時功耗為0.35 W。集電極最大電流為500 mA。

儀表放大器

AD8420抑制電橋處產(chǎn)生的共模電壓，僅放大差分電橋電壓，如圖3所示。AD8420具有與輸入共模電壓完全無關(guān)的軌到軌輸出電壓擺幅。該特性使得AD8420擺脫了大多數(shù)傳統(tǒng)儀表放大器架構(gòu)存在的、共模輸入和輸出電壓之間交互作用導(dǎo)致的多種限制。 該儀表放大器的增益設(shè)置為1。

圖3. AD8420儀表放大器

AD8420的輸入端有一個差模噪聲濾波器(20 kΩ/1 μF/100 nF)，其帶寬為7.6 Hz，還有一個共模噪聲濾波器(10 k?/100 nF)，其帶寬為150 Hz。

傳統(tǒng)儀表放大器架構(gòu)需要使用低阻抗源驅(qū)動基準(zhǔn)電壓引腳， 基準(zhǔn)電壓引腳上的任何阻抗都會降低共模抑制比(CMRR)和增益精度。 而對于AD8420架構(gòu)，基準(zhǔn)電壓引腳上的電阻對CMRR無影響。AD8420的傳遞函數(shù)為：

VOUT = G(VIN+ − VIN−) + VREF

其中：

VREF = 1.05 V

G = 1 + (R12/R10)

在−40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)，AD8420差分輸入電壓在內(nèi)部被二極管限制在±1 V。如果輸入電壓超過此限值，內(nèi)部二極管就會開始傳導(dǎo)并消耗電流。 電流在內(nèi)部被限制在保證AD8420安全的值。

基準(zhǔn)電壓緩沖器

AD7793產(chǎn)生的210 μA激勵電流通過5 kΩ電阻，如圖4所示。這將產(chǎn)生1.05 V基準(zhǔn)電壓，然后由ADA4096-2緩沖。緩沖器的輸出驅(qū)動AD7793和AD8420的基準(zhǔn)電壓源。 該電路是比率式，因此，5 kΩ電阻上的電壓變化（由AD7793產(chǎn)生的210 μA激勵電流的5%容差導(dǎo)致）所引起的誤差非常小。 該緩沖基準(zhǔn)電壓還驅(qū)動放大器以設(shè)置橋式傳感器的電壓驅(qū)動（參見圖2）。

圖4. 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生

ADC通道1配置： 橋式傳感器

AD7793的通道1測量AD8420的橋式傳感器輸出。外部VREF (1.05 V)用作基準(zhǔn)電壓，因此，AD7793的輸入電壓范圍是±1.05 V，以+1.05 V共模電壓為中心。

ADC通道2配置： 溫度傳感器

AD7793的第二通道監(jiān)控電阻溫度檢測器(RTD)上產(chǎn)生的電壓，該RTD由210 μA激勵電流驅(qū)動，如圖5所示。

盡管100 ?鉑RTD十分常見，但也可指定其他電阻（200 ?、500 ?、1000 ?等）和材料（鎳、銅、鎳鐵）。 本應(yīng)用采用100 Ω DIN 43,760 A類RTD。

圖5. 利用開爾文或4線Pt RTD連接提供高精度

圖5所示的4線（開爾文）連接可消除RTD引腳電阻效應(yīng)。 注意：利用鏈路P3和鏈路P4，也可以使用2線、3線或4線配置，如表2所示。

表2. RTD連接的鏈路配置

如果不需要溫度補(bǔ)償，可利用鏈路P9旁路RTD。

輸出編碼

任一通道上輸入電壓的輸出代碼為：

代碼

AIN × Gain

VREF

其中：

AIN = AIN(+) – AIN(−) = AIN(+) – VREF

Gain為PGA增益設(shè)置，N = 24。

電源電壓要求

為使電路正常工作，電源電壓VCC必須大于6 V，以便為橋式傳感器提供最低5 V驅(qū)動。

系統(tǒng)校準(zhǔn)

有多種方法可執(zhí)行壓力傳感器溫度校準(zhǔn)。 本應(yīng)用采用四點(diǎn)校準(zhǔn)程序。 Silicon Microstructures, Inc.（位于美國加利福尼亞州苗必達(dá)市）的AN13-01（恒定電壓下MEMS壓力傳感器的主動溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)）為校準(zhǔn)程序提供了很好的參考。

測試數(shù)據(jù)與結(jié)果

系統(tǒng)噪聲

全部數(shù)據(jù)捕獲操作都通過CN-0355評估軟件實(shí)現(xiàn)。

為捕獲評估板噪聲，進(jìn)行了兩次設(shè)置測量。 第一次測量如圖6所示，在AD8420輸入短路的條件下進(jìn)行，因而測量的是AD8420和AD7793的峰峰值噪聲。 進(jìn)行了1000次采樣，獲得的代碼分布約有100個代碼，相當(dāng)于12.5 μV的峰峰值噪聲；或者對于2.1 V的滿量程范圍，相當(dāng)于17.36個無噪聲位。

圖6. 輸出代碼分布直方圖（100個代碼，AD8420輸入引腳短路）

第二次測量是利用Honeywell NSCSANN600MGUNV壓力計(jì)傳感器進(jìn)行，它連接到評估板。 板上安裝的該壓力傳感器未經(jīng)放大和補(bǔ)償，電壓驅(qū)動器設(shè)置為10.1 V。此測試有效展示了整個系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲，包括傳感器噪聲，如圖7所示。進(jìn)行了1000次采樣，獲得的代碼分布約有120個代碼，相當(dāng)于15 μV的峰峰值噪聲；或者對于2.1 V的滿量程范圍，相當(dāng)于17.1個無噪聲位。

圖7. 輸出代碼分布直方圖（120個代碼，連接壓力傳感器）

系統(tǒng)功耗

表3顯示了系統(tǒng)的總功耗，不包括壓力傳感器的功耗。

表3. 25°C時電路的最大功耗

Honeywell NSCSANN600MGUNV壓力傳感器具有大約3 kΩ的阻抗，會使表3所示的總功耗增加大約3.36 mA。

用更低的電流（如10 μA）驅(qū)動RTD，同時采用更高的RTD電阻值（如1 kΩ），可進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。

有源元件的誤差分析

系統(tǒng)中的有源元件AD8420和ADA4096-2引起的最大誤差及和方根(RSS)誤差如表4所示。

表4. 滿量程范圍(FSR) = 1.05 V的系統(tǒng)誤差分析

總電路精度

對電阻容差導(dǎo)致的總誤差的合理近似推算是假設(shè)每個關(guān)鍵電阻對總誤差貢獻(xiàn)都相等。 兩個關(guān)鍵電阻是R8和R19、R20、R21中的任一個。 0.1%的最差情況下電阻容差可造成最大值0.2%的總電阻誤差。 若假定RSS誤差，則總RSS誤差為0.1√2 = 0.14%。

電阻誤差與表4給出的元件誤差相加得到以下結(jié)果：

•失調(diào)誤差 = 0.365% + 0.1400% = 0.505%

•增益誤差 = 0.050% + 0.1400% = 0.190%

•滿量程誤差 = 0.415% + 0.1400% = 0.555%

這些誤差使用以下假設(shè)：選用計(jì)算得到的電阻值，容差是僅有的誤差，傳感器的電壓驅(qū)動設(shè)置為10.1的增益。

線性度誤差是在−500 mV到+500 mV的輸入范圍測試，采用圖10所示的設(shè)置?？偡蔷€性誤差約為0.45%。 非線性主要由AD8420的輸入跨導(dǎo)(gm)級引起。

總輸出誤差(%FSR)通過將實(shí)測輸出電壓與理想輸出電壓之差除以輸出電壓的FSR，然后乘以100得出。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8. 橋式傳感器模擬的輸出電壓（帶相關(guān)線性度誤差曲線）與ADC讀數(shù)的關(guān)系

圖9顯示EVAL-CN0355-PMDZ評估板的實(shí)物照片。 該系統(tǒng)的完整文檔位于CN-0355設(shè)計(jì)支持包中。

圖 9. EVAL-CN0355-PMDZ板實(shí)物照片

常見變化

其他合適的ADC有AD7792和AD7785， 這兩款器件具有與AD7793相同的特性組合。 不過，AD7792為16位ADC，AD7785為20位ADC。

AD8237是一款微功耗、零漂移、真正軌到軌儀表放大器，也可用于本電路配置的低電源電壓版本。

儀表放大器AD8226是另一個選擇，它能以更高的功耗（約525 μA）實(shí)現(xiàn)更好的線性度。

對于需要低噪聲和低失調(diào)電壓的低電源電壓范圍應(yīng)用，可以用雙通道AD8606取代ADA4096-2。 雙通道AD8606具有極低失調(diào)電壓、低輸入電壓和電流噪聲以及寬信號帶寬等特性。 它采用ADI公司的DigiTrim®調(diào)整專利技術(shù)，無需激光調(diào)整便可達(dá)到出色的精度。

電路評估與測試

本電路采用EVAL-CN0355-PMDZ電路板、EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP)評估板和SDP-PMD-IB1Z（一款針對SDP的PMOD轉(zhuǎn)接板）。 SDP和SDP-PMD-IB1Z板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設(shè)置和電路性能評估。 為了使用SDP-PMD-IB1Z和SDP評估EVAL-CN0355-PMDZ板，通過一個間距為100密爾、面積為25平方密爾的標(biāo)準(zhǔn)直角引腳接頭連接器把EVAL-CN0355-PMDZ連接至SDP-PMD-IB1Z。

設(shè)備要求

為評估和測試CN-0355電路，需要如下設(shè)備：

•帶USB端口的Windows® XP、Windows® Vista（32位）或Windows® 7（32位）PC

•EVAL-CN0355-PMDZ電路評估板

•EVAL-SDP-CB1Z電路評估板

•SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板

•CN0355評估軟件

•6 V壁式電源適配器或其他電源

•Yokogawa GS200精密電壓源

•Agilent E3631A電壓源

開始使用

將CN-0355評估軟件光盤放入PC，加載評估軟件。 打開我的電腦，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，打開Readme文件。 按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。

設(shè)置

CN-0355評估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP (SP2)和Vista（32位和64位）。 如果安裝文件未自動運(yùn)行，可以運(yùn)行光盤中的setup.exe文件。

請先安裝評估軟件，再將評估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識別評估系統(tǒng)。

光盤文件安裝完畢后，為SDP-PMD-IB1Z評估板接通電源。 用隨附電纜把SDP板（通過連接器A）連接到SDP-PMD-IB1Z評估板，然后連接到用于評估的PC USB端口。

將EVAL-CN0355-PMDZ的12引腳直角公引腳接頭連接至SDP-PMD-IB1Z的12引腳直角母引腳接頭。

運(yùn)行程序之前，將壓力傳感器端子和RTD傳感器連接至EVAL-CN0355-PMDZ的端子插孔中。

在接好并打開所有外設(shè)和電源之后，單擊圖形用戶界面上的Run（運(yùn)行）按鈕。當(dāng)PC成功檢測到評估系統(tǒng)時，即可使用評估軟件對EVAL-CN0355-PMDZ電路板進(jìn)行評估。

功能框圖

測試設(shè)置的功能框圖如圖10所示。該測試設(shè)置必須按圖中所示方式連接。

圖10. 測試設(shè)置功能框圖

用Agilent E3631A和Yokogawa GS200精密電壓源為評估板供電并模擬傳感器輸出。 Agilent E3631A的通道CH1設(shè)置為24 V以充當(dāng)評估板的VCC電源，另一個通道CH2設(shè)置為5 V以產(chǎn)生共模電壓。 CH2與Yokogawa GS200串聯(lián)，如圖7所示。Yokogowa通過1.5 kΩ串聯(lián)電阻連接到評估板的輸入端子，該電阻模擬電橋阻抗。 Yokogawa在儀表放大器輸入端產(chǎn)生±500 mV（25°C時）差分輸入電壓，從而模擬傳感器輸出。

用CN-0355評估軟件捕獲來自EVAL-CN0355-PMDZ評估板的數(shù)據(jù)，得出圖8所示的線性度誤差，所用設(shè)置如圖10所示。

有關(guān)軟件操作的詳情，請參見CN-0355軟件用戶指南。

了解詳情

CN-0355設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0355-DesignSupport

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Kester, Walt. 1999“溫度傳感器”第7章，ADI公司。

恒定電壓下MEMS壓力傳感器的主動溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)，Silicon Microstructures, Inc.美國加利福尼亞州苗必達(dá)市

數(shù)據(jù)手冊和評估板

AD7793數(shù)據(jù)手冊

AD7793評估板

ADA4096-2數(shù)據(jù)手冊

AD8420數(shù)據(jù)手冊