低成本傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設計考慮
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電流驅(qū)動的電橋
在低噪聲環(huán)境或者系統(tǒng)中,若壓力傳感器緊挨ADC放置,可能沒有必要使用帶信號放大的傳感器。在這些應用中,低成本橋式輸出傳感器更適合。為了降低傳感器成本,同時在整個溫度范圍內(nèi)提供良好的性能,許多此類壓力傳感器,如Nova Sensor公司的NPI-19系列[3]都是由電流源供電而不是電壓源供電。(更詳細的論述請參見附錄1)。公式8給出了這種電流驅(qū)動的傳感器的輸出,其中Ie是激勵電流。
Vs= Ie (S x P+C)公式8
圖4給出了一個常用于橋式輸出傳感器的電流源。該電流源由一個低溫度系數(shù)電阻,一個運算放大器及一個電壓基準組成。如果ADC和壓力傳感器整合于一個部件中,則電流源的電壓基準也可為ADC提供參考電壓。在圖4的電路中,電壓基準同時被用來穩(wěn)定傳感器和ADC,使它們不受變化的溫度和電源電壓的影響。
圖4. 該設計中電流驅(qū)動傳感器的電流源由一個電阻,一個運算放大器和一個電壓基準組成。
與圖4類似的另一種方法如圖5所示的電路,無需電流源或電壓基準。需要注意的是:雖然傳感器和ADC的組合在整個溫度范圍內(nèi)都很穩(wěn)定,但是ADC和傳感器都具有很大的溫漂。如果單獨測量,傳感器的靈敏度將隨溫度的升高而降低,而ADC的靈敏度則升高。由于在整個溫度范圍內(nèi)ADC輸出不是穩(wěn)定的,所以將該方法用于ADC有多路輸入的電路時必須特別小心。
圖5. 傳感器和ADC組合的另一種設計方法,無需獨立的電流源或電壓基準。
從圖5可以得出公式9:
Vref = Ie x R1公式9
將公式9中的Vref和公式8中的Vs代入上述ADC的公式4 ,得出公式10。
D = [Ie (S x P+C)/(Ie x R1)](FS x K)公式10
因為分子和分母中含有激勵電流(Ie),因此可消去。 由此可得到公式11,表示輸出與激勵電流無關。如果將公式11中的常數(shù)項合并,將再次得出與公式6等效的公式:帶有電壓基準的系統(tǒng)。
D = P(S x FS x K/R1)+C(FS x K/R1)公式11
如果R1作為一個常數(shù),它必須具有較低的溫度系數(shù)。與圖4相比,圖5要求R1具有良好的溫度穩(wěn)定性,這并不是其缺點,因為圖4中的電阻也必須具有良好的溫度穩(wěn)定性。
公式11中沒有R2,而且電路中也不需要R2。但是,對R2進行分析是為了說明它并不影響ADC讀數(shù)。R2可用另一個電流驅(qū)動的壓力傳感器、RTD或一個固態(tài)開關的電阻代替,而不會影響ADC讀數(shù)。
理論上,可以采用多通道輸入ADC和數(shù)個串聯(lián)驅(qū)動的電流型傳感器。然而,傳感器串聯(lián)會使得激勵電流(Ie),傳感器信號(Vs)以及參考電壓(Vref)更低。當傳感器串聯(lián)時,需要特別注意對ADC Vref的要求及系統(tǒng)噪聲。
RTD
RTD是另一種通常與電流源配合使用的傳感器。RTD的常用材料是鉑,通常具有約3,800ppm/°C的正溫度系數(shù)。測量RTD的傳統(tǒng)方法是將其作為電阻橋的一個端子。然而,在實際應用中,很少使用電阻橋。低成本高分辨率ADC的存在在,使得只需驅(qū)動一個電流流過RTD,并直接測量RTD兩端的電壓這種簡單方案更為經(jīng)濟。這種方法避免了非平衡橋的非線性問題,并且省去了組成電阻橋的三個精密電阻。
圖6中的電路也無需利用電橋或者穩(wěn)定的電流源來測量RTD (Rt)。該電路只需要一個穩(wěn)定的基準電阻(R1)和一個低等級的限流電阻即可。
圖6. 無需電阻橋或穩(wěn)定電流源來測量Rt的電路
由圖6可以得出下列公式:
Vs = (V+) x Rt/(R1+R2+Rt)公式12
Vref = (V+) x R1/(R1+R2+Rt)公式13
將公式12中的Vs和公式13中的Vref代入公式4,得出圖6中ADC的輸出。經(jīng)過簡化可得公式14。公式14表示:如果R1是定值,D則正比于、且僅隨Rt的變化而變化,這正是所期望的結果。
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