傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)解決方案

需要解決的挑戰(zhàn)

如前所述，關(guān)于傳感器有兩大挑戰(zhàn)需要解決：首先是傳感器具有輸出偏移，這個(gè)偏移可以在圖2中的VOFF點(diǎn)加合適的電壓進(jìn)行調(diào)整，或者在傳感器輸出被數(shù)字化后用軟件消除。如果用軟件處理，那么VOFF就變成0伏。

用軟件消除偏移的問題在于，限制了可測量的傳感器范圍。如果偏移是正的，將限制可以測量的最大傳感器輸出，因?yàn)榉糯蟮膫鞲衅鬏敵隹赡鼙绕谕母邕_(dá)到ADC滿刻度值。如果偏移是負(fù)的，將無法精確測量很小的傳感器輸出電平，因?yàn)樵诔^放大的偏移值之前，ADC輸出代碼不會(huì)高過零值。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是可能針對(duì)傳感器滿刻度輸出的輸出電壓值范圍。例如，標(biāo)稱滿刻度輸出電壓為100mV的傳感器可能有這樣一個(gè)指標(biāo)，它表明了這種滿刻度輸出低至50mV和高至150mV的可能性。

如果滿刻度傳感器輸出低于標(biāo)稱值，ADC的滿刻度范圍就不會(huì)使用。如果滿刻度傳感器輸出超過標(biāo)稱值，ADC輸出將在傳感器輸出達(dá)到其滿刻度之前先達(dá)到ADC滿刻度輸出值。此外，如果傳感器輸出或放大器本身有漂移，那么在讀數(shù)時(shí)將存在某種不確定性和不精確性。

幸運(yùn)的是，目前的傳感器即使有時(shí)間漂移也非常小，仔細(xì)選擇放大器可以使放大器漂移最小。因此，在制造期間和/或系統(tǒng)上電時(shí)，電路增益可以一次調(diào)整到位。

達(dá)到這個(gè)目的的方法之一是使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)調(diào)整ADC參考電壓VREF，以補(bǔ)償傳感器的滿刻度誤差，使用另一個(gè)DAC調(diào)整圖2中的VOFF以補(bǔ)償偏移誤差。雙通道DAC，如國半的DAXxx2S085（其中“xx”可以是08、10或12，代表DAC分辨率），將是這種應(yīng)用的理想之選。另外一種方法，是在傳感器輸出被數(shù)字化后，用軟件校準(zhǔn)這些誤差。

解決這兩個(gè)挑戰(zhàn)的最佳方案，是在制造過程和系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的軟件校準(zhǔn)過程中，調(diào)整偏移和增益誤差。這種方法允許用軟件實(shí)現(xiàn)最小誤差校準(zhǔn)，并保持ADC的最大可用動(dòng)態(tài)范圍。

第三個(gè)問題是，單端ADC通常要求其輸入可以被驅(qū)動(dòng)到非常接近零伏，以產(chǎn)生零輸出代碼。問題產(chǎn)生的原因是，用于驅(qū)動(dòng)ADC輸入的放大器不能產(chǎn)生低于50mV左右的輸出。即使所所用的放大器具有軌到軌輸出能力，這種現(xiàn)象也很常見。

雖然對(duì)某些應(yīng)用來說，電路無法提供最小的ADC零輸出代碼沒什么關(guān)系，但對(duì)其它應(yīng)用來說這卻是個(gè)問題。對(duì)于后者，解決方案包括：

* 給驅(qū)動(dòng)單端輸入ADC的放大器提供負(fù)電源。

* 使用既帶正參考電壓又帶負(fù)參考電壓的單端ADC，這些參考電壓可以設(shè)為比器件地高的值，并相應(yīng)抵消ADC輸入電壓。

* 將ADC的地偏置到約100mV。

* 偏移ADC輸入，丟棄ADC輸出端的一些代碼，用軟件進(jìn)行調(diào)整

* 使用差分輸入ADC。

驅(qū)動(dòng)ADC的放大器使用負(fù)電源有個(gè)缺點(diǎn)，即系統(tǒng)中可能沒有負(fù)電源，而單為這個(gè)放大器提供一個(gè)負(fù)電源又似乎不太可行。對(duì)此，國半公司的開關(guān)電容電壓反向器LM2787提供了一種簡單的解決方案。

所有ADC都有一個(gè)正參考電壓和一個(gè)負(fù)參考電壓。這兩個(gè)參考電壓之間的差值就是所謂的ADC“參考電壓”。負(fù)參考和正參考電壓分別定義了輸入最小和最大電壓。遺憾的是，目前許多ADC內(nèi)部將負(fù)參考電壓定義為器件地，這是為了將ADC集成在具有更少外部引腳的更小封裝中而作出的犧牲。

提高ADC的地電平通常不是件容易的事。另外，將它偏置得太高可能會(huì)出現(xiàn)輸出接口問題，因?yàn)槠骷倪壿嫷碗娖綄⒈鹊仄弥蹈叱鲆恍?。然而，這樣做與將ADC負(fù)參考電壓定義為低值(也許70mV至100mV)具有相同的效果。

增加ADC偏移并對(duì)ADC滿刻度輸入值作合適調(diào)整是一種可行的方法，但會(huì)降低ADC使用的動(dòng)態(tài)范圍。這樣做相當(dāng)于提供圖2所示的正VOFF，減少放大器增益，以便ADC輸入不超過ADC參考電壓，并對(duì)ADC輸出代碼進(jìn)行軟件調(diào)整。

使用差分輸入ADC是一種最好的方法，它能獲得ADC零輸出代碼，在ADC輸入端的整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)保持良好的電路線性，并且無需在系統(tǒng)中使用負(fù)電壓。在這種方法中，差分放大器的輸出反饋到ADC的差分輸入端，無需差分到單端放大器電路。因此這是一種既簡單又不失高效的完美解決方案。