驅動應變橋傳感器的信號調理IC

2004年7月A版

　　應變片傳感器具有可靠、可重復和精確的特點，廣泛用于制造、過程控制和科研領域。應變片傳感器把應變轉換為壓力傳感器、重量測量、力和轉矩測量及材料分析所用的電信號。應變片只不過是一個電阻器，其值隨粘貼材料的應變而變化。

　　通用的應變片具有寬范圍零應變電阻。傳感器材料和工藝是造成其寬范圍特點的原因，但幾個值(如120W和350W)已成為應用中的主導。早期，標準值有助于簡化應變測量，能夠方便地與包含匹配輸入阻抗網絡的基本磁偏轉表結合。

　　制造應變片所用的材料為有限的幾種合金，所選合金應使傳感器溫度系數(shù)和應變材料之間的差別最小。傳感器材料主要是鋼，不銹鋼和鋁。也有用鈹青銅、鑄鐵和鈦。但大多數(shù)合金能制造大量低成本、溫度適合的應變片。最通用的是350W康銅應變片。

　　高可靠性、容易制造的厚膜和薄膜傳感器對汽車應用有較大的吸引力，這種傳感器是在表面淀積絕緣材料的陶瓷或金屬襯底上制造。用蒸發(fā)淀積工藝把傳感器材料淀積在絕緣層的頂層。用激光汽化或光掩模和化學蝕刻工藝，把感測傳感器和互連線值入金屬中。有時增加一個保護絕緣層來保護傳感器和互連線。

　　傳感器材料通常包括一種專用合金，所選的合金能產生所希望的傳感器阻抗、阻抗隨應力的變化關系以及傳感器和基層金屬間最好的溫度系數(shù)匹配。已開發(fā)出3KW~30KW標定傳感器和橋阻抗，已用于制造壓力和力傳感器。

　　惠斯登橋通常用于片、薄膜或厚膜基應變片傳感器中?；菟沟菢虬褌鞲衅鲬兯鸬淖杩棺兓儞Q為差分電壓(見圖1)。當激勵電壓加到+Exc和-Exc端時，與應變成比例的差分電壓呈現(xiàn)在+Vout和-Vout端。

　　在有源惠斯登半橋電路(圖2)中，只有2個元件是響應于材料應變的傳感元件。這種配置的輸出信號(一般在滿載荷時為1mV/V)是有源全橋的一半。

　　另一種有源全橋電路(圖3)用4個以上的有源350W應變片。特征橋阻抗是350W，輸出靈敏度是2mV/V，應變材料分布在較寬的測量區(qū)域。

　　溫度會影響傳感器性能，導致零阻抗輸出電壓漂移(也稱之為失調)和負荷條件下靈敏度改變(也定義為滿標輸出電壓)。傳感器制造廠家在電路中加入熱敏電阻對這些變化進行一階補償(見圖1~3)。

　　隨著溫度的變化，電阻RFSOTC和RFSOTC-SHUNT調整橋激勵電壓。通常，RFSOTC材料具有正溫度系數(shù)，可在溫度上升時降低橋激勵電壓。隨著溫度的上升，傳感器輸出變得愈加對負載敏感，而降低的橋激勵電壓有效地抵消固有溫度對降低傳感器輸出的影響。電阻RSHUNT對溫度或應變不敏感，它用于微調RFSOTC的TC補償值。OW的RSHUNT值將抵消RFSOTC所有影響，而RSHUNT開路時(阻值無限大)，將完全受RFSOTC的影響。這種方法用于溫度靈敏度效應的一階補償相當好，但不能補償更復雜和更高階的非線性效應。

　　在橋的一個臂上加入熱敏電阻，可實現(xiàn)偏移變化的溫度補償。這些電阻如圖1-3所示的ROTC-POS或ROTC-NEG。并聯(lián)電阻ROTC-SHUNT微調ROTC-POS或ROTC-NEG所引起的溫度影響值。采用ROTC-POS還是ROTC-NEG？取決于偏移是正或負溫度系數(shù)。

　　用電流激勵橋傳感器會導致橋阻抗隨負載變化，而且電流會對消或使內置靈敏度補償網絡(圖2中的RFSOTC和RFSOTC-SHUNT)無效。

　　有些方法對解決這些問題是有效的，并可啟用電流激勵驅動，而且較容易的方法是在配置中用MAX1452，提供電壓驅動。此電路具有用電壓激勵提供所必須的大電流能力，但所需的外部元件數(shù)最少。MAX1452是一款完整的高集成度信號調理IC，可實現(xiàn)傳感器激勵、信號濾波和放大以及偏移和靈敏度的溫度線性化。

　　MAX1452主要設計用于檢測壓力的硅壓阻式傳感器(PRT)。它包含4個16位△∑DAC、一個溫度傳感器以及用于橋傳感器溫度補償和線性化的索引溫度系數(shù)表(見圖4)。通過檢測元件和電壓輸出之間的模擬信號通路實現(xiàn)溫度補償和放大。此IC適合片狀或薄膜應變片，用最少的外部電路來提供惠斯登橋的電壓基激勵和大電流驅動能力。

　　MAX1452包含PRT電流激勵電路(圖5)。此電路包括電流鏡像電路(T1和T2)，此電路將基準電流放大14倍足以驅動2KW~5KW范圍的PRT傳感器。基準電流由RISRC和RSRC上的電壓提供。此電壓由運放U1反饋回路中的16位精密D/A轉換器FSO DAC設置。

　　滿量程輸出DAC(FSO DAC)具有△∑結構并從閃存中的溫度系數(shù)索引表取得數(shù)字輸入。每1.5℃溫度增量每4ms提供唯一的16位系數(shù)給DAC。DAC的輸出電壓驅動P溝道MOSFET T1的柵極，T1又產生足夠的電流到RISRC和RSTC，以產生等效的FSO DAC電壓。通過T1的電流，由T2鏡像放大14倍作為橋驅動電流。

　　電阻RSTC根據溫度的變化實現(xiàn)傳感器激勵電流的一級調諧。對于硅PRT傳感器，電流流過傳感器橋時產生電壓，電壓則引起溫度的變化。由此可見，傳感器在橋電阻和溫度之間提供了一個良好的傳遞函數(shù)。用電流激勵傳感器橋，可以按比例調節(jié)所產生橋電壓，用作失調和靈敏度的一階補償。這一過程是通過將橋電壓(BDR引腳)切換到滿標程輸出溫度補償DAC(FSOTC DAC)的基準輸入來實現(xiàn)。注意，采用片狀或厚膜應變片時一般不采用電流激勵。

　　MAX1452的內部75KW電阻可用做RISRC和RSTC，或用開關SW1和SW2切換外部電阻(見圖5)。ISRC引腳提供與運放的連接，并允許來自橋驅動的電壓反饋。圖6-8示出3個不同的電壓驅動電路。

　　對于2KW或更高阻抗的傳感器，圖6所示的簡單電路提供到橋的電壓驅動激勵。斷開SW1和SW2禁止FSOTC DAC調變電路。連接引腳ISRC到BDR實現(xiàn)運放反饋回路，因此，得到來自橋激勵電壓的反饋。在供給橋電流時，晶體管T1和T2(它們是并聯(lián))使橋電壓上升到FSO DAC電壓。

　　連接惠斯登橋電路的低阻抗(120W~2KW)應變片或薄膜電阻器不能由T2直接驅動，但用射極跟隨器配置的外部npn晶體管(圖7)可解決此問題。流經npn晶體管的電流直接來自連接集極的VDD電源。運放U1驅動T1和T2使其進入導通狀態(tài)，使橋電壓升高。為了閉合回路，ISRC端的橋電壓反饋到運放。調整橋電壓來匹配FSO DAC輸出電壓。為了穩(wěn)定，可加一個小的0.1mF電容跨接在橋上。

　　npn晶體管的發(fā)射結電壓(VBE)具有較大的溫度系數(shù)，但它所造成的影響可以通過反饋至U1的環(huán)路進行校準。低溫時，VBE電壓較大，最大橋電壓限制在：

　　VBRIDGEMAX=VDD-VT2SAT-VBE

　　和VBE溫度元件一樣，TNPN的增益也需要溫度校準，可以用控制反饋回路補償它的影響。

　　為低阻抗橋提供足夠驅動電流的另一種方法是增加一個小的外部電阻與T2并聯(lián)(圖8中的RSUPP)。RSUPP值保證橋電壓略小于所希望的值(對于5.0V VDD為3.0V)。而T2提供升高橋電壓到希望值所需的額外電流。因為處于關閉狀態(tài)的T2所提供的電流最小，所以，RSUPP值應該是適合最低橋電壓的要求。T2的最大電流(在4.0V VBDR為2mA)決定所允許的最大橋電壓調節(jié)。此電路對于具有相當?shù)蜏囟认禂?shù)靈敏度(TCS)、不需要明顯橋電壓調節(jié)的橋傳感器是有用的。

　　由RSUPP溫度系數(shù)所引起的靈敏度影響由U1的反饋調節(jié)補償。在設計電路時，為保證一個足夠的驅動電流容限，必須考慮RSUPP的最大和最小功率。

　　MAX1452靈活的橋激勵方法為用戶提供了相當大的設計自由度。本文集中討論了帶和不帶電流激勵的電壓驅動情況，它還可以實現(xiàn)很多其他橋驅動配置。其他設計考慮包括控制回路用外部溫度傳感器，將輸出信號饋入此回路實現(xiàn)傳感器線性化(即測量參量的線性化)?！?/P>