采用信號調(diào)理IC驅(qū)動應(yīng)變片電橋傳感器

溫度對傳感器性能的影響

溫度導(dǎo)致零負(fù)載輸出電壓漂移(也稱為失調(diào))，在負(fù)載情況下使靈敏度出現(xiàn)變化(也定義為滿量程輸出電壓)，對傳感器性能有不利的影響。傳感器生產(chǎn)商在電路中引入溫度敏感電阻，補(bǔ)償這些變化的一階影響，如圖1-3所示。

當(dāng)溫度變化時(shí)，電阻RFSOTC和RFSOTC_SHUNT調(diào)制電橋激勵電壓。一般而言，RFSOTC材料有正溫度系數(shù)，電橋激勵電壓隨溫度升高而降低。隨著溫度的提高，傳感器輸出對負(fù)載越來越敏感。降低電橋激勵電壓能夠減小傳感器輸出，有效地抵消內(nèi)在溫度效應(yīng)。電阻RSHUNT對溫度或者應(yīng)變不敏感，用于調(diào)整RFSOTC產(chǎn)生的TC補(bǔ)償量。0Ω的RSHUNT能夠抵消RFSOTC的所有影響，而無限大的值(開路)將使能RFSOTC的所有影響。該方法補(bǔ)償一階溫度靈敏度的效果非常好，但是不能解決更復(fù)雜的高階非線性效應(yīng)。

通過在電橋的一臂上插入溫度敏感電阻來完成失調(diào)變化的溫度補(bǔ)償。這些電阻是圖1-3中所示的ROTC_POS和ROTC_NEG。分流電阻(ROTC_SHUNT)調(diào)整ROTC_POS或者ROTC_NEG引入的溫度影響量。使用ROTC_POS或者ROTC_NEG取決于失調(diào)是正溫度系數(shù)還是負(fù)溫度系數(shù)。

怎樣實(shí)現(xiàn)電流激勵驅(qū)動

由于電橋電阻隨負(fù)載變化，以及內(nèi)置靈敏度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(圖2中顯示的RFSOTC和RFSOTC-SHUNT)中的電流過大或者電流反向等原因，使用電流來激勵電橋傳感器有很大的困難。

可以采用各種方法來解決這些問題，實(shí)現(xiàn)電流激勵驅(qū)動。一種簡單的方法是使用MAX1452，通過配置實(shí)現(xiàn)電壓驅(qū)動。該電路包括很少的外部元件，這些元件可滿足電壓激勵需要的大電流要求。MAX1452是全集成信號調(diào)理IC，完成傳感器激勵、信號濾波和放大、失調(diào)和靈敏度的溫度線性化等。

MAX1452主要設(shè)計(jì)用于壓力傳感中的硅片壓阻換能器(PRT)。它采用了4個(gè)16位Δ-Σ DAC (D-A轉(zhuǎn)換器)、溫度傳感器和溫度系數(shù)表來完成電橋傳感器的溫度補(bǔ)償和線性化(圖4)。在傳感單元和電壓輸出之間通過模擬信號通路來完成溫度補(bǔ)償和放大。該IC借助很少的外部電路就可以適應(yīng)金屬片或者厚膜應(yīng)變片，為惠斯通電橋提供電壓激勵以及更強(qiáng)的電流驅(qū)動能力。


圖4. MAX1452是電橋傳感器全集成信號調(diào)理IC

MAX1452包括PRT電流激勵電路(圖5)。電路包括一個(gè)電流鏡像(T1和T2)，將小參考電流放大14倍，足以驅(qū)動2kΩ到5kΩ的PRT傳感器。在RISRC和RSTC上加電壓可以獲得參考電流。該電壓由運(yùn)算放大器U1反饋環(huán)路中的16位精度滿量程輸出D/A轉(zhuǎn)換器(FSO DAC)設(shè)置。


圖5. PRT電橋激勵電路圖

FSO DAC采用了Σ-Δ體系結(jié)構(gòu)，其數(shù)字輸入來自閃存中的溫度系數(shù)表。溫度每遞增1.5°C，每4ms向DAC提供唯一的16位系數(shù)。DAC輸出電壓驅(qū)動p溝道MOSFET T1的柵極，隨之向RISRC和RSTC驅(qū)動足夠的電流，產(chǎn)生等于FSO DAC電壓的電壓。通過T1的電流，由T2鏡像放大14倍，成為電橋驅(qū)動電流。

電阻RSTC使能傳感器激勵電流的一階調(diào)制，該電流是溫度的函數(shù)。對于硅片PRT換能器，當(dāng)電流通過電橋時(shí)，從結(jié)果傳感器電橋電壓中獲得溫度。這類傳感器在電橋電阻和溫度之間具有很好的傳輸函數(shù)。通過電流激勵電橋，您可以調(diào)整結(jié)果電橋電壓，利用它對失調(diào)和靈敏度進(jìn)行一階補(bǔ)償。這可以通過連接電橋電壓(引腳BDR)和滿量程輸出溫度補(bǔ)償DAC (FSOTC DAC)的參考輸入來實(shí)現(xiàn)。但是要記住，當(dāng)使用金屬片或者厚膜應(yīng)變片時(shí)，一般不適合采用電流激勵。