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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，并且與之前的產物相比，愈加準確也更穩(wěn)固。有的時分，這些傳感器運用起來并不容易。面向這些傳感器的調理電路設計師，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用新的在線傳感器設計工具，這個進程面臨的很多應戰(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原理，以及用于轉換這種橋傳感器輸入的處置電路，包括偏移和增益校準。

　　基于惠斯頓電橋的壓力傳感器

　　許多壓力傳感器運用微機電零碎(MEMS)技巧，它們由4個采用惠斯頓電橋構造銜接的壓敏電阻構成。當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的標稱滿刻度輸入。這意味著在鼓勵電壓為5V時，標稱滿刻度輸入為：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，或標稱滿刻度的±50%。

　　假定兩個電阻串聯(lián)構成電阻串，由于是等值電阻，因而兩電阻間的節(jié)點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)點處的電壓將改動1%。假如將兩個電阻串實行并聯(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關系，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的辦法來取得更好的精度。

　　好運的是，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，在該傳感器生命期內能夠無須改動校準系數(shù)就能滿足精度請求。當然，在每一次上電時通常需求再次校準零碎。

　　根本信號調理電路由一個儀表縮小器和一個模數(shù)轉換器(ADC)構成。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。當傳感器輸入處于滿刻度時，ADC輸出應該接近其滿刻度值，這個值通常就是ADC的參照電壓VREF。縮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：


　　需求處理的應戰(zhàn)

　　如前所述，關于傳感器有兩大應戰(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點加適宜的電壓實行調節(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ADC滿刻度值。假如偏移是負的，將沒法準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。

　　第二個應戰(zhàn)是能夠針對傳感器滿刻度輸入的輸入電壓值領域。例如，標稱滿刻度輸入電壓為100mV的傳感器能夠有這樣一個目標，它標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稱值，ADC的滿刻度領域就不會運用。假如滿刻度傳感器輸入超越標稱值，ADC輸入將在傳感器輸入到達其滿刻度之前先到達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確性。

　　好運的是，目前的傳感器即便有時刻漂移也十分小，認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節(jié)到位。

　　到達這個目的的辦法之一是運用數(shù)模轉換器(DAC)調節(jié)ADC參照電壓VREF，以補償傳感器的滿刻度誤差，運用另一個DAC調節(jié)圖2中的 VOFF以補償偏移誤差。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，用軟件校準這些誤差。

　　處理這兩個應戰(zhàn)的優(yōu)選方案，是在制造進程和零碎啟動時的軟件校準進程中，調節(jié)偏移和增益誤差。這種辦法允許用軟件完成min誤差校準，并堅持ADC的max可用靜態(tài)領域。

　　第三個Issue(問題)是，單端ADC通常請求其輸出能夠被驅動到十分接近零伏，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系，但對其它使用來說這卻是個Issue(問題)。關于后者，處理方案包括：

　　* 給驅動單端輸出ADC的縮小器提供負電源。

　　* 運用既帶正參照電壓又帶負參照電壓的單端ADC，這些參照電壓能夠設為比器件地高的值，并對應抵消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，用軟件實行調節(jié)

　　* 運用差分輸出ADC。

　　驅動ADC的縮小器運用負電源有個缺陷，即零碎中能夠沒有負電源，而單為這個縮小器提供一個負電源又似乎不太可行。對此，國半公司的開關電容電壓反向器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外部將負參照電壓定義為器件地，這是為了將ADC集成在具有更少內部引腳的更小封裝中而作出的犧牲。

　　進步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節(jié)是一種可行的辦法，但會降低ADC運用的靜態(tài)領域。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輸入代碼實行軟件調節(jié)。

　　運用差分輸出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域內堅持良好的電道路性，而且無須在零碎中使用負電壓。在這種辦法中，差分縮小器的輸入反應到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。