關(guān) 閉

新聞中心

EEPW首頁 > 工控自動(dòng)化 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 低成本傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)考慮

低成本傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)考慮

作者: 時(shí)間:2011-07-31 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


該應(yīng)用中電橋的最大優(yōu)點(diǎn)是它能抑制溫度引起的變化。分析公式15發(fā)現(xiàn)TCR不再是問題。即使電橋電阻加倍輸出仍保持不變。只要所有電阻按同比例變化,其輸出不變!

電橋的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了分辨率要求。在壓力為0psi時(shí),電橋輸出是0mV,在100psi時(shí)電橋輸出為10mV。要測量0.1psi的壓力,則需要從10mV中分辨10µV。相對于直接測量電阻需要15.6位的分辨率而言,只需要10位的分辨率。

從實(shí)際應(yīng)用的角度來看,10位ADC不能直接測量10µV的信號。信號必須放大。信號放大的可能會(huì)使無需外部放大器的高分辨率ADC更吸引人。低分辨率方案的最大優(yōu)點(diǎn)在于其對基準(zhǔn)的要求。能在整個(gè)時(shí)間和溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定達(dá)到16位分辨率的電壓基準(zhǔn)、電流源或參考電阻通常是不切實(shí)際的。

該實(shí)例中的數(shù)值選取不是用來刻意突出電橋的重要性。這些數(shù)值對于許多壓阻式壓力非常典型(見附錄2)。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/161703.htm

惠斯通電橋的線性化

使用非平衡惠斯通電橋的缺點(diǎn)是其具有非線性。公式15分母中的Ru項(xiàng)表示:電橋的輸出與Ru不是線性函數(shù)關(guān)系。電阻變化非常小時(shí)線性誤差也很小,而當(dāng)電橋不平衡時(shí)線性誤差也變大。幸運(yùn)的是,如果ADC參考電壓來自電橋的話,就可消除這個(gè)誤差。

圖10所示為一個(gè)帶數(shù)字顯示的簡單溫度。溫度感應(yīng)元件(Rt)是鉑RTD。選擇鉑是因?yàn)槠潆娮桦S溫度線性變化。電橋電路除去0°時(shí)的多余信號,這樣可使ADC的讀數(shù)等于溫度。公式17給出了圖10中的電橋信號(Vs)。公式18是ADC的參考電壓。兩信號都是Rt的非線性函數(shù),但是它們共同作用的結(jié)果是線性的。

圖10. 在具有數(shù)字顯示的簡單的溫度傳感器中,電橋電路除去0°時(shí)的多余信號,使得ADC讀數(shù)等于溫度。
圖10. 在具有數(shù)字顯示的簡單的溫度中,電橋電路除去0°時(shí)的多余信號,使得ADC讀數(shù)等于溫度。

Vs = (Vb)(R3/(R2+R3) - (R1/(R1+Rt))公式17

Vfer = (Vb)(R1/(R1+Rt)公式18

ADC的輸出(公式19)是將公式17和18中的Vs和Vref分別代入公式4中得出的。公式19表示采用這個(gè)參考電壓時(shí),ADC輸出變?yōu)镽t的線性函數(shù),并減去所期望的偏移項(xiàng)。

D = Rt(R3/(R1(R2+R3)) - R2/(R2+R3)公式19

在圖10中,R3b和R1b分別調(diào)節(jié)失調(diào)量和靈敏度。當(dāng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),顯示器將直接以°C或°F為單位顯示溫度的大小。唯一的一個(gè)明顯誤差來自RTD自身的非線性。0°C至100°C范圍內(nèi)該誤差僅為十分之幾攝氏度。

通過MAX1492 ADC的串行,還可對圖10電路的失調(diào)誤差和靈敏度誤差進(jìn)行數(shù)字校正。這種校準(zhǔn)方法不僅無需R1a和R3a,而且還提供了校正RTD中線性誤差的機(jī)會(huì)。如果需要更高的測量分辨率,可用MAX1494替換MAX1492,可使分辨率上升一位。

根據(jù)公式19,R4的值不會(huì)影響讀數(shù)。電路中增加R4可以降低RTD的自身熱量。同時(shí)也減弱了來自電橋的信號,并且降低了參考電壓。雖然MAX1492無內(nèi)部PGA,但是它允許使用較小的參考電壓。使用較小的參考電壓可以省去額外的放大電路。

結(jié)束語

在許多傳感器應(yīng)用中,利用簡單電路,使傳感器輸出和ADC參考輸入之間保持適當(dāng)?shù)年P(guān)系,可以省去電壓基準(zhǔn)和電流源。除了降低和節(jié)省空間之外,這些電路還可消除不理想基準(zhǔn)所引入的誤差,改善性能。

相類似的文章發(fā)表于2005年7月的Sensors雜志。

附錄1. 電流驅(qū)動(dòng)傳感器的綜合特性

目前最常見的壓力傳感器是由硅晶片制成的,硅晶片類似于計(jì)算機(jī)芯片。采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝技術(shù),將四個(gè)壓敏電阻植入硅片,并用金屬引線連接電阻構(gòu)成電橋結(jié)構(gòu)。然后,在硅晶片的背面有選擇地蝕刻硅片,就可產(chǎn)生一個(gè)很薄的隔膜。當(dāng)完成后,硅晶片的背面看起來像具有凹坑的華夫餅干,每一個(gè)凹坑對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的壓力傳感器。批量生產(chǎn)使這種傳感器降低。硅晶片的特性使其具有高強(qiáng)度,并提供相對較大的輸出信號。

硅晶片還具有導(dǎo)致這些傳感器靈敏度隨溫度變化下降的不良特性,變化速率的典型值大于2000ppm/°C。幸運(yùn)的是,電橋電阻的阻抗在靈敏度下降時(shí)以相同的速率增加。當(dāng)這些傳感器由一個(gè)電流源供電時(shí),電橋電壓則隨靈敏度下降以相同的速率增加。這樣可提供一個(gè)在限定溫度范圍內(nèi)與溫度無關(guān)的輸出信號。

為抑制電阻隨溫度變化的影響,至關(guān)重要的是四個(gè)電阻要具有相同的溫度系數(shù)(TCR),并處于相同的溫度。硅傳感器可以很容易地滿足這些要求。小尺寸傳感器可確保溫度一致,同時(shí)制作四個(gè)電阻可以使得TCR本質(zhì)上完全相同。

習(xí)慣上,還可使四個(gè)電阻均隨壓力變化。其中兩個(gè)電阻的阻值隨壓力增加而增加,另兩個(gè)電阻的阻值則隨壓力增加而減小。這不僅使電橋輸出增加了四倍,而且還消除了由單個(gè)有源元件組成的非平衡電橋中存在的非線性誤差。

附錄2. 電壓調(diào)節(jié)器與電壓基準(zhǔn)

大多數(shù)電路至少具有一個(gè)穩(wěn)壓器來為IC提供一個(gè)穩(wěn)定的供電電壓。雖然這些穩(wěn)壓器的精度、電源抑制和溫度穩(wěn)定性很適合為IC供電,但其無法滿足高精度模擬測量對于穩(wěn)定性的需求。電壓基準(zhǔn)在整個(gè)寬溫度范圍內(nèi)都相當(dāng)精確,但不具有穩(wěn)壓器的負(fù)載處理性能。例如,低噪聲穩(wěn)壓器MAX8510具有優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo),甚至可以在低精度應(yīng)用中作為基準(zhǔn)。然而,MAX8510的電壓穩(wěn)定性等級要低于諸如MAX6126的低噪聲電壓基準(zhǔn)。MAX6126具有良好的初始精度和穩(wěn)定性,但它僅能提供MAX8510負(fù)載能力1/10的電流。大多數(shù)非比例測量電路同時(shí)需要穩(wěn)壓器和電壓基準(zhǔn)。


上一頁 1 2 3 4 下一頁

評論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉