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基于惠斯頓電橋的壓力傳感器的解決方案
2010-11-16 14:07:12
全部類型的傳感器在過來幾年中都有了很大開展，并且與之前的產(chǎn)物相比，愈加準(zhǔn)確也更穩(wěn)固。有的時分，這些傳感器運(yùn)用起來并不容易。面向這些傳感器的調(diào)理電路設(shè)計(jì)師，常常發(fā)現(xiàn)此類電路的開發(fā)多少有些令人頭疼。但是，只需大批根底知識并運(yùn)用新的在線傳感器設(shè)計(jì)工具，這個進(jìn)程面臨的很多應(yīng)戰(zhàn)都可以迎刃而解。
即使如今市面上有多種傳感器，但壓力傳感器也較為多見。因而，本文將討論基于惠斯頓電橋壓力傳感器的根本任務(wù)原理，以及用于轉(zhuǎn)換這種橋傳感器輸入的處置電路，包括偏移和增益校準(zhǔn)。
基于惠斯頓電橋的壓力傳感器
許多壓力傳感器運(yùn)用微機(jī)電零碎(MEMS)技巧，它們由4個采用惠斯頓電橋構(gòu)造銜接的壓敏電阻構(gòu)成。當(dāng)這些傳感器上沒有壓力時，橋中的全部電阻值都是相等的。當(dāng)有外力施加于電橋時，兩個相向電阻的阻值將增長，而另兩個電阻的阻值將減小，并且增長和減小的阻值彼此相等。
遺憾的是，事情并非如此容易，由于傳感器存在偏移和增益誤差。偏移誤差是指沒有壓力施加于傳感器時存在輸入；增益誤差指傳感器輸入絕對于施加于傳感器外力的敏感水平。典型傳感器普通規(guī)則鼓勵電壓為5V，具有20mV/V的標(biāo)稱滿刻度輸入。這意味著在鼓勵電壓為5V時，標(biāo)稱滿刻度輸入為：20 mV/V × 5 V = 100 mV.
偏移電壓能夠是2mV，或滿刻度的2%；min和max滿刻度輸入電壓能夠是50mV和150mV，或標(biāo)稱滿刻度的±50%。
假定兩個電阻串聯(lián)構(gòu)成電阻串，由于是等值電阻，因而兩電阻間的節(jié)點(diǎn)電壓是電阻串電壓的一半。假如一個電阻值增長1%，另一個電阻減小1%，那么兩個電阻節(jié)點(diǎn)處的電壓將改動1%。假如將兩個電阻串實(shí)行并聯(lián)，如圖1所示，右邊下方的電阻和左邊上方的電阻阻值均減小1%，另外兩個電阻增長1%，那么兩個“中”點(diǎn)間的電壓將從零差值變?yōu)楦膭?%。兩個并行分支的這種配置就被稱為惠斯頓橋。
圖1：受鼓勵電壓VEX和差分輸入電壓V驅(qū)動的惠斯頓橋。
假如不理解偏移以及傳感器輸入電壓和壓力之間的真實(shí)關(guān)系，我們就只能粗略估量施加于傳感器上的壓力大小。這意味著需求采樣校準(zhǔn)的辦法來取得更好的精度。
好運(yùn)的是，給定傳感器的偏移和滿刻度誤差隨時刻變化十分穩(wěn)固，因而一旦傳感器失掉校準(zhǔn)，在該傳感器生命期內(nèi)能夠無須改動校準(zhǔn)系數(shù)就能滿足精度請求。當(dāng)然，在每一次上電時通常需求再次校準(zhǔn)零碎。
根本信號調(diào)理電路由一個儀表縮小器和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成。儀表縮小器未來自傳感器的小輸入電壓縮小到合適ADC的電平，接著由ADC將縮小后的傳感器輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字式，再交給控制器或DSP處置(圖2)。儀表縮小器能夠用來防止橋過載，而這種過載會改動傳感器輸入電壓值。
圖2：根本壓力傳感器調(diào)理電路。
傳感器的滿刻度輸入即max輸出，可以在縮小器輸出端看到。當(dāng)傳感器輸入處于滿刻度時，ADC輸出應(yīng)該接近其滿刻度值，這個值通常就是ADC的參照電壓VREF?？s小器請求的增益大小為：
其中VREF代表ADC的參照電壓，“Sensor FS”是傳感器的滿刻度輸入值。假定電阻圓滿婚配，那么儀表縮小器的增益等于：
需求處理的應(yīng)戰(zhàn)
如前所述，關(guān)于傳感器有兩大應(yīng)戰(zhàn)需求處理：首先是傳感用具有輸入偏移，這個偏移能夠在圖2中的VOFF點(diǎn)加適宜的電壓實(shí)行調(diào)節(jié)，或許在傳感器輸入被數(shù)字化后用軟件消弭。假如用軟件處置，那么VOFF就變成0伏。
用軟件消弭偏移的Issue(問題)在于，束縛了可測量的傳感器領(lǐng)域。假如偏移是正的，將束縛能夠測量的max傳感器輸入，由于縮小的傳感器輸入能夠比希冀的更早到達(dá)ADC滿刻度值。假如偏移是負(fù)的，將沒法準(zhǔn)確測量很小的傳感器輸入電平，由于在超越縮小的偏移值之前，ADC輸入代碼不會高過零值。
第二個應(yīng)戰(zhàn)是能夠針對傳感器滿刻度輸入的輸入電壓值領(lǐng)域。例如，標(biāo)稱滿刻度輸入電壓為100mV的傳感器能夠有這樣一個目標(biāo)，它標(biāo)明了這種滿刻度輸入低至50mV和高至150mV的能夠性。
假如滿刻度傳感器輸入低于標(biāo)稱值，ADC的滿刻度領(lǐng)域就不會運(yùn)用。假如滿刻度傳感器輸入超越標(biāo)稱值，ADC輸入將在傳感器輸入到達(dá)其滿刻度之前先到達(dá)ADC滿刻度輸入值。此外，假如傳感器輸入或縮小器自身有漂移，那么在讀數(shù)時將存在某種不確定性和不準(zhǔn)確性。
好運(yùn)的是，目前的傳感器即便有時刻漂移也十分小，認(rèn)真選擇縮小器能夠使縮小器漂移min。因而，在制造時期和/或零碎上電時，電路增益能夠一次調(diào)節(jié)到位。
到達(dá)這個目的的辦法之一是運(yùn)用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)調(diào)節(jié)ADC參照電壓VREF，以補(bǔ)償傳感器的滿刻度誤差，運(yùn)用另一個DAC調(diào)節(jié)圖2中的 VOFF以補(bǔ)償偏移誤差。雙通道DAC，如國半的DAXxx2S085（其中“xx”能夠是08、10或12，代表DAC分辨率），將是這種使用的理想之選。另外一種辦法，是在傳感器輸入被數(shù)字化后，用軟件校準(zhǔn)這些誤差。
處理這兩個應(yīng)戰(zhàn)的優(yōu)選方案，是在制造進(jìn)程和零碎啟動時的軟件校準(zhǔn)進(jìn)程中，調(diào)節(jié)偏移和增益誤差。這種辦法允許用軟件完成min誤差校準(zhǔn)，并堅(jiān)持ADC的max可用靜態(tài)領(lǐng)域。
第三個Issue(問題)是，單端ADC通常請求其輸出能夠被驅(qū)動到十分接近零伏，以發(fā)生零輸入代碼。Issue(問題)發(fā)生的緣由是，用于驅(qū)動ADC輸出的縮小器不能發(fā)生低于50mV左右的輸入。即便所所用的縮小用具有軌到軌輸入才能，這種景象也很多見。
即使對某些使用來說，電路沒法提供max的ADC零輸入代碼沒什么關(guān)系，但對其它使用來說這卻是個Issue(問題)。關(guān)于后者，處理方案包括：
* 給驅(qū)動單端輸出ADC的縮小器提供負(fù)電源。
* 運(yùn)用既帶正參照電壓又帶負(fù)參照電壓的單端ADC，這些參照電壓能夠設(shè)為比器件地高的值，并對應(yīng)抵消ADC輸出電壓。
* 將ADC的地偏置到約100mV。
* 偏移ADC輸出，丟棄ADC輸入端的少許代碼，用軟件實(shí)行調(diào)節(jié)
* 運(yùn)用差分輸出ADC。
驅(qū)動ADC的縮小器運(yùn)用負(fù)電源有個缺陷，即零碎中能夠沒有負(fù)電源，而單為這個縮小器提供一個負(fù)電源又似乎不太可行。對此，國半公司的開關(guān)電容電壓反向器LM2787提供了一種容易的處理方案。
全部ADC都有一個正參照電壓和一個負(fù)參照電壓。這兩個參照電壓之間的差值就是所謂的ADC“參照電壓”。負(fù)參照和正參照電壓辨別定義了輸出min和max電壓。遺憾的是，目前許多ADC外部將負(fù)參照電壓定義為器件地，這是為了將ADC集成在具有更少內(nèi)部引腳的更小封裝中而作出的犧牲。
進(jìn)步ADC的地電平通常不是件輕易的事。另外，將它偏置得太高能夠會顯示輸入接口Issue(問題)，由于器件的邏輯低電平將比地偏置值高出少許。但是，這樣做與將ADC負(fù)參照電壓定義為低值(或許70mV至100mV)具有相反的效果。
增長ADC偏移并對ADC滿刻度輸出值作適宜調(diào)節(jié)是一種可行的辦法，但會降低ADC運(yùn)用的靜態(tài)領(lǐng)域。這樣做十分于提供圖2所示的正VOFF，增加縮小器增益，以便ADC輸出不超越ADC參照電壓，并對ADC輸入代碼實(shí)行軟件調(diào)節(jié)。
運(yùn)用差分輸出ADC是一種較好的辦法，它能取得ADC零輸入代碼，在ADC輸出端的全部輸出電壓領(lǐng)域內(nèi)堅(jiān)持良好的電道路性，而且無須在零碎中使用負(fù)電壓。在這種辦法中，差分縮小器的輸入反應(yīng)到ADC的差分輸出端，無須差分到單端縮小器電路。因而這是一種既容易又不失高效的圓滿處理方案。
