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基于惠斯顿电桥的压力传感器的解决方案

2010-11-16 14:07:12

        全部类型的传感器在过来几年中都有了很大开展,并且与之前的产物相比,愈加准确也更稳固。有的时分,这些传感器运用起来并不容易。面向这些传感器的调理电路设计师,常常发现此类电路的开发多少有些令人头疼。但是,只需大批根底知识并运用新的在线传感器设计工具,这个进程面临的很多应战都可以迎刃而解。

  即使如今市面上有多种传感器,但压力传感器最为多见。因而,本文将讨论基于惠斯顿电桥压力传感器的根本任务原理,以及用于转换这种桥传感器输入的处置电路,包括偏移和增益校准。

  基于惠斯顿电桥的压力传感器

  许多压力传感器运用微机电零碎(MEMS)技巧,它们由4个采用惠斯顿电桥构造衔接的压敏电阻构成。当这些传感器上没有压力时,桥中的全部电阻值都是相等的。当有外力施加于电桥时,两个相向电阻的阻值将增长,而另两个电阻的阻值将减小,并且增长和减小的阻值彼此相等。

  遗憾的是,事情并非如此容易,由于传感器存在偏移和增益误差。偏移误差是指没有压力施加于传感器时存在输入;增益误差指传感器输入绝对于施加于传感器外力的敏感水平。典型传感器普通规则鼓励电压为5V,具有20mV/V的标称满刻度输入。这意味着在鼓励电压为5V时,标称满刻度输入为:20 mV/V × 5 V = 100 mV.

  偏移电压能够是2mV,或满刻度的2%;最小和最大满刻度输入电压能够是50mV和150mV,或标称满刻度的±50%。

  假定两个电阻串联构成电阻串,由于是等值电阻,因而两电阻间的节点电压是电阻串电压的一半。假如一个电阻值增长1%,另一个电阻减小1%,那么两个电阻节点处的电压将改动1%。假如将两个电阻串实行并联,如图1所示,右边下方的电阻和左边上方的电阻阻值均减小1%,另外两个电阻增长1%,那么两个“中”点间的电压将从零差值变为改动2%。两个并行分支的这种配置就被称为惠斯顿桥。


图1:受鼓励电压VEX和差分输入电压V驱动的惠斯顿桥。

  假如不理解偏移以及传感器输入电压和压力之间的真实关系,我们就只能粗略估量施加于传感器上的压力大小。这意味着需求采样校准的办法来取得更好的精度。

  好运的是,给定传感器的偏移和满刻度误差随时刻变化十分稳固,因而一旦传感器失掉校准,在该传感器生命期内能够无须改动校准系数就能满足精度请求。当然,在每一次上电时通常需求再次校准零碎。

  根本信号调理电路由一个仪表缩小器和一个模数转换器(ADC)构成。仪表缩小器未来自传感器的小输入电压缩小到合适ADC的电平,接着由ADC将缩小后的传感器输入电压转换为数字式,再交给控制器或DSP处置(图2)。仪表缩小器能够用来防止桥过载,而这种过载会改动传感器输入电压值。

图2:根本压力传感器调理电路。

  传感器的满刻度输入即最大输出,可以在缩小器输出端看到。当传感器输入处于满刻度时,ADC输出应该接近其满刻度值,这个值通常就是ADC的参照电压VREF。缩小器请求的增益大小为:


  其中VREF代表ADC的参照电压,“Sensor FS”是传感器的满刻度输入值。假定电阻圆满婚配,那么仪表缩小器的增益等于:


  需求处理的应战

  如前所述,关于传感器有两大应战需求处理:首先是传感用具有输入偏移,这个偏移能够在图2中的VOFF点加适宜的电压实行调节,或许在传感器输入被数字化后用软件消弭。假如用软件处置,那么VOFF就变成0伏。

  用软件消弭偏移的Issue(问题)在于,束缚了可测量的传感器领域。假如偏移是正的,将束缚能够测量的最大传感器输入,由于缩小的传感器输入能够比希冀的更早到达ADC满刻度值。假如偏移是负的,将没法准确测量很小的传感器输入电平,由于在超越缩小的偏移值之前,ADC输入代码不会高过零值。

  第二个应战是能够针对传感器满刻度输入的输入电压值领域。例如,标称满刻度输入电压为100mV的传感器能够有这样一个目标,它标明了这种满刻度输入低至50mV和高至150mV的能够性。

  假如满刻度传感器输入低于标称值,ADC的满刻度领域就不会运用。假如满刻度传感器输入超越标称值,ADC输入将在传感器输入到达其满刻度之前先到达ADC满刻度输入值。此外,假如传感器输入或缩小器自身有漂移,那么在读数时将存在某种不确定性和不准确性。

  好运的是,目前的传感器即便有时刻漂移也十分小,认真选择缩小器能够使缩小器漂移最小。因而,在制造时期和/或零碎上电时,电路增益能够一次调节到位。

  到达这个目的的办法之一是运用数模转换器(DAC)调节ADC参照电压VREF,以补偿传感器的满刻度误差,运用另一个DAC调节图2中的 VOFF以补偿偏移误差。双通道DAC,如国半的DAXxx2S085(其中“xx”能够是08、10或12,代表DAC分辨率),将是这种使用的理想之选。另外一种办法,是在传感器输入被数字化后,用软件校准这些误差。

  处理这两个应战的最佳方案,是在制造进程和零碎启动时的软件校准进程中,调节偏移和增益误差。这种办法允许用软件完成最小误差校准,并坚持ADC的最大可用静态领域。

  第三个Issue(问题)是,单端ADC通常请求其输出能够被驱动到十分接近零伏,以发生零输入代码。Issue(问题)发生的缘由是,用于驱动ADC输出的缩小器不能发生低于50mV左右的输入。即便所所用的缩小用具有轨到轨输入才能,这种景象也很多见。

  即使对某些使用来说,电路没法提供最小的ADC零输入代码没什么关系,但对其它使用来说这却是个Issue(问题)。关于后者,处理方案包括:

  * 给驱动单端输出ADC的缩小器提供负电源。

  * 运用既带正参照电压又带负参照电压的单端ADC,这些参照电压能够设为比器件地高的值,并对应抵消ADC输出电压。

  * 将ADC的地偏置到约100mV。

  * 偏移ADC输出,丢弃ADC输入端的少许代码,用软件实行调节

  * 运用差分输出ADC。

  驱动ADC的缩小器运用负电源有个缺陷,即零碎中能够没有负电源,而单为这个缩小器提供一个负电源又似乎不太可行。对此,国半公司的开关电容电压反向器LM2787提供了一种容易的处理方案。

  全部ADC都有一个正参照电压和一个负参照电压。这两个参照电压之间的差值就是所谓的ADC“参照电压”。负参照和正参照电压辨别定义了输出最小和最大电压。遗憾的是,目前许多ADC外部将负参照电压定义为器件地,这是为了将ADC集成在具有更少内部引脚的更小封装中而作出的牺牲。

  进步ADC的地电平通常不是件轻易的事。另外,将它偏置得太高能够会显示输入接口Issue(问题),由于器件的逻辑低电平将比地偏置值高出少许。但是,这样做与将ADC负参照电压定义为低值(或许70mV至100mV)具有相反的效果。

  增长ADC偏移并对ADC满刻度输出值作适宜调节是一种可行的办法,但会降低ADC运用的静态领域。这样做十分于提供图2所示的正VOFF,增加缩小器增益,以便ADC输出不超越ADC参照电压,并对ADC输入代码实行软件调节。

  运用差分输出ADC是一种最佳的办法,它能取得ADC零输入代码,在ADC输出端的全部输出电压领域内坚持良好的电道路性,而且无须在零碎中使用负电压。在这种办法中,差分缩小器的输入反应到ADC的差分输出端,无须差分到单端缩小器电路。因而这是一种既容易又不失高效的圆满处理方案。