低功耗、溫度補償式電橋信號調理器和驅動器

Circuits from the Lab®參考電路是經過測試的參考設計，有助于加速設計，同時簡化系統(tǒng)集成，幫助并解決當今模擬、混合信號和RF設計挑戰(zhàn)。 如需更多信息和/或技術支持，請訪問：www.analog.com/CN0355

連接/參考器件

評估和設計支持

電路評估板

CN-0355評估板(EVAL-CN0355-PMDZ)

系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

SDP-PMOD轉接板(SDP-PMD-IB1Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一款適用于電橋型傳感器的完整低功耗信號調理器，包括一個溫度補償通道。 該電路非常適合驅動電壓介于5 V和15 V之間的各類工業(yè)壓力傳感器和稱重傳感器。

利用24位Σ-Δ型ADC的內置可編程增益放大器(PGA)，該電路可以處理大約10 mV到1 V的滿量程信號，因此它適用于種類廣泛的壓力傳感器。

整個電路僅使用三個IC，功耗僅1 mA（不包括電橋電流）。 比率式技術確保系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性不依賴于基準電壓源。

圖1. 帶溫度補償?shù)牟罘蛛姌蛐蛡鞲衅鞅O(jiān)控器（原理示意圖： 未顯示所有連接和去耦）

電路描述

圖1所示電路基于24位Σ-Δ型ADC AD7793。該ADC有三路差分模擬輸入和一個增益范圍為單位增益到128的片內低噪聲PGA，因此非常適合多個傳感器接口。AD7793的最大功耗僅500 μA，因而適合低功耗應用。它內置一個低噪聲、低漂移帶隙基準電壓源，也可采用外部差分基準電壓。 輸出數(shù)據速率可通過軟件在4.17 Hz至470 Hz范圍內設置。

AD8420是一款低功耗儀表放大器，電源電流最大值為80 μA，可以采用最高36 V的單電源供電，用于消除橋式傳感器的共模電壓。需要時，它也可為傳感器的小差分信號輸出提供增益。

ADA4096-2是一款雙通道運算放大器，每個放大器的典型電源電流為60 μA，具有最高30 V的寬工作輸入電壓范圍，用于驅動傳感器電橋。ADA4096-2的另一半用作基準電壓緩沖器。

有很多種類的壓力傳感器需要5 V至15 V之間的電壓驅動。圖1所示電路為橋式傳感器提供了一種完整的解決方案，包含四個關鍵部分：傳感器電壓驅動、儀表放大器、基準電壓緩沖器和ADC。

橋式傳感器電壓驅動

ADA4096-2配置為同相放大器，其配置增益由反饋電阻設置，如圖2所示。

圖2. 傳感器電壓驅動

增益通過配置表1列出的跳線來設置。

表1. 特定電壓驅動的引腳配置

傳遞函數(shù)計算如下：

VDRIVE

VDRIVE

VREF

VREF

其中，RF可以是40.2 kΩ、91 kΩ或140 kΩ，R8 = 10 kΩ。

NPN晶體管用于提高驅動橋式傳感器所需的電流。 提供給ADA4096-2反相輸入端的反饋使得反相輸入電壓等于同相輸入電壓，從而確保橋式電路上的電壓驅動保持恒定的電壓。

晶體管Q1為BJT，最大擊穿電壓為80 V，25°C時功耗為0.35 W。集電極最大電流為500 mA。

儀表放大器

AD8420抑制電橋處產生的共模電壓，僅放大差分電橋電壓，如圖3所示。AD8420具有與輸入共模電壓完全無關的軌到軌輸出電壓擺幅。該特性使得AD8420擺脫了大多數(shù)傳統(tǒng)儀表放大器架構存在的、共模輸入和輸出電壓之間交互作用導致的多種限制。 該儀表放大器的增益設置為1。

圖3. AD8420儀表放大器

AD8420的輸入端有一個差模噪聲濾波器(20 kΩ/1 μF/100 nF)，其帶寬為7.6 Hz，還有一個共模噪聲濾波器(10 k?/100 nF)，其帶寬為150 Hz。

傳統(tǒng)儀表放大器架構需要使用低阻抗源驅動基準電壓引腳， 基準電壓引腳上的任何阻抗都會降低共模抑制比(CMRR)和增益精度。 而對于AD8420架構，基準電壓引腳上的電阻對CMRR無影響。AD8420的傳遞函數(shù)為：

VOUT = G(VIN+ − VIN−) + VREF

其中：

VREF = 1.05 V

G = 1 + (R12/R10)

在−40°C至+85°C溫度范圍內，AD8420差分輸入電壓在內部被二極管限制在±1 V。如果輸入電壓超過此限值，內部二極管就會開始傳導并消耗電流。 電流在內部被限制在保證AD8420安全的值。

基準電壓緩沖器

AD7793產生的210 μA激勵電流通過5 kΩ電阻，如圖4所示。這將產生1.05 V基準電壓，然后由ADA4096-2緩沖。緩沖器的輸出驅動AD7793和AD8420的基準電壓源。 該電路是比率式，因此，5 kΩ電阻上的電壓變化（由AD7793產生的210 μA激勵電流的5%容差導致）所引起的誤差非常小。 該緩沖基準電壓還驅動放大器以設置橋式傳感器的電壓驅動（參見圖2）。

圖4. 基準電壓產生

ADC通道1配置： 橋式傳感器

AD7793的通道1測量AD8420的橋式傳感器輸出。外部VREF (1.05 V)用作基準電壓，因此，AD7793的輸入電壓范圍是±1.05 V，以+1.05 V共模電壓為中心。

ADC通道2配置： 溫度傳感器

AD7793的第二通道監(jiān)控電阻溫度檢測器(RTD)上產生的電壓，該RTD由210 μA激勵電流驅動，如圖5所示。

盡管100 ?鉑RTD十分常見，但也可指定其他電阻（200 ?、500 ?、1000 ?等）和材料（鎳、銅、鎳鐵）。 本應用采用100 Ω DIN 43,760 A類RTD。

圖5. 利用開爾文或4線Pt RTD連接提供高精度

圖5所示的4線（開爾文）連接可消除RTD引腳電阻效應。 注意：利用鏈路P3和鏈路P4，也可以使用2線、3線或4線配置，如表2所示。

表2. RTD連接的鏈路配置

如果不需要溫度補償，可利用鏈路P9旁路RTD。

輸出編碼

任一通道上輸入電壓的輸出代碼為：

代碼

AIN × Gain

VREF

其中：

AIN = AIN(+) – AIN(−) = AIN(+) – VREF

Gain為PGA增益設置，N = 24。

電源電壓要求

為使電路正常工作，電源電壓VCC必須大于6 V，以便為橋式傳感器提供最低5 V驅動。

系統(tǒng)校準

有多種方法可執(zhí)行壓力傳感器溫度校準。 本應用采用四點校準程序。 Silicon Microstructures, Inc.（位于美國加利福尼亞州苗必達市）的AN13-01（恒定電壓下MEMS壓力傳感器的主動溫度補償和校準）為校準程序提供了很好的參考。

測試數(shù)據與結果

系統(tǒng)噪聲

全部數(shù)據捕獲操作都通過CN-0355評估軟件實現(xiàn)。

為捕獲評估板噪聲，進行了兩次設置測量。 第一次測量如圖6所示，在AD8420輸入短路的條件下進行，因而測量的是AD8420和AD7793的峰峰值噪聲。 進行了1000次采樣，獲得的代碼分布約有100個代碼，相當于12.5 μV的峰峰值噪聲；或者對于2.1 V的滿量程范圍，相當于17.36個無噪聲位。

圖6. 輸出代碼分布直方圖（100個代碼，AD8420輸入引腳短路）

第二次測量是利用Honeywell NSCSANN600MGUNV壓力計傳感器進行，它連接到評估板。 板上安裝的該壓力傳感器未經放大和補償，電壓驅動器設置為10.1 V。此測試有效展示了整個系統(tǒng)產生的噪聲，包括傳感器噪聲，如圖7所示。進行了1000次采樣，獲得的代碼分布約有120個代碼，相當于15 μV的峰峰值噪聲；或者對于2.1 V的滿量程范圍，相當于17.1個無噪聲位。

圖7. 輸出代碼分布直方圖（120個代碼，連接壓力傳感器）

系統(tǒng)功耗

表3顯示了系統(tǒng)的總功耗，不包括壓力傳感器的功耗。

表3. 25°C時電路的最大功耗

Honeywell NSCSANN600MGUNV壓力傳感器具有大約3 kΩ的阻抗，會使表3所示的總功耗增加大約3.36 mA。

用更低的電流（如10 μA）驅動RTD，同時采用更高的RTD電阻值（如1 kΩ），可進一步降低系統(tǒng)的功耗。

有源元件的誤差分析

系統(tǒng)中的有源元件AD8420和ADA4096-2引起的最大誤差及和方根(RSS)誤差如表4所示。

表4. 滿量程范圍(FSR) = 1.05 V的系統(tǒng)誤差分析

總電路精度

對電阻容差導致的總誤差的合理近似推算是假設每個關鍵電阻對總誤差貢獻都相等。 兩個關鍵電阻是R8和R19、R20、R21中的任一個。 0.1%的最差情況下電阻容差可造成最大值0.2%的總電阻誤差。 若假定RSS誤差，則總RSS誤差為0.1√2 = 0.14%。

電阻誤差與表4給出的元件誤差相加得到以下結果：

•失調誤差 = 0.365% + 0.1400% = 0.505%

•增益誤差 = 0.050% + 0.1400% = 0.190%

•滿量程誤差 = 0.415% + 0.1400% = 0.555%

這些誤差使用以下假設：選用計算得到的電阻值，容差是僅有的誤差，傳感器的電壓驅動設置為10.1的增益。

線性度誤差是在−500 mV到+500 mV的輸入范圍測試，采用圖10所示的設置?？偡蔷€性誤差約為0.45%。 非線性主要由AD8420的輸入跨導(gm)級引起。

總輸出誤差(%FSR)通過將實測輸出電壓與理想輸出電壓之差除以輸出電壓的FSR，然后乘以100得出。計算結果如圖8所示。

圖8. 橋式傳感器模擬的輸出電壓（帶相關線性度誤差曲線）與ADC讀數(shù)的關系

圖9顯示EVAL-CN0355-PMDZ評估板的實物照片。 該系統(tǒng)的完整文檔位于CN-0355設計支持包中。

圖 9. EVAL-CN0355-PMDZ板實物照片

常見變化

其他合適的ADC有AD7792和AD7785， 這兩款器件具有與AD7793相同的特性組合。 不過，AD7792為16位ADC，AD7785為20位ADC。

AD8237是一款微功耗、零漂移、真正軌到軌儀表放大器，也可用于本電路配置的低電源電壓版本。

儀表放大器AD8226是另一個選擇，它能以更高的功耗（約525 μA）實現(xiàn)更好的線性度。

對于需要低噪聲和低失調電壓的低電源電壓范圍應用，可以用雙通道AD8606取代ADA4096-2。 雙通道AD8606具有極低失調電壓、低輸入電壓和電流噪聲以及寬信號帶寬等特性。 它采用ADI公司的DigiTrim®調整專利技術，無需激光調整便可達到出色的精度。

電路評估與測試

本電路采用EVAL-CN0355-PMDZ電路板、EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP)評估板和SDP-PMD-IB1Z（一款針對SDP的PMOD轉接板）。 SDP和SDP-PMD-IB1Z板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設置和電路性能評估。 為了使用SDP-PMD-IB1Z和SDP評估EVAL-CN0355-PMDZ板，通過一個間距為100密爾、面積為25平方密爾的標準直角引腳接頭連接器把EVAL-CN0355-PMDZ連接至SDP-PMD-IB1Z。

設備要求

為評估和測試CN-0355電路，需要如下設備：

•帶USB端口的Windows® XP、Windows® Vista（32位）或Windows® 7（32位）PC

•EVAL-CN0355-PMDZ電路評估板

•EVAL-SDP-CB1Z電路評估板

•SDP-PMD-IB1Z轉接板

•CN0355評估軟件

•6 V壁式電源適配器或其他電源

•Yokogawa GS200精密電壓源

•Agilent E3631A電壓源

開始使用

將CN-0355評估軟件光盤放入PC，加載評估軟件。 打開我的電腦，找到包含評估軟件光盤的驅動器，打開Readme文件。 按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。

設置

CN-0355評估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP (SP2)和Vista（32位和64位）。 如果安裝文件未自動運行，可以運行光盤中的setup.exe文件。

請先安裝評估軟件，再將評估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識別評估系統(tǒng)。

光盤文件安裝完畢后，為SDP-PMD-IB1Z評估板接通電源。 用隨附電纜把SDP板（通過連接器A）連接到SDP-PMD-IB1Z評估板，然后連接到用于評估的PC USB端口。

將EVAL-CN0355-PMDZ的12引腳直角公引腳接頭連接至SDP-PMD-IB1Z的12引腳直角母引腳接頭。

運行程序之前，將壓力傳感器端子和RTD傳感器連接至EVAL-CN0355-PMDZ的端子插孔中。

在接好并打開所有外設和電源之后，單擊圖形用戶界面上的Run（運行）按鈕。當PC成功檢測到評估系統(tǒng)時，即可使用評估軟件對EVAL-CN0355-PMDZ電路板進行評估。

功能框圖

測試設置的功能框圖如圖10所示。該測試設置必須按圖中所示方式連接。

圖10. 測試設置功能框圖

用Agilent E3631A和Yokogawa GS200精密電壓源為評估板供電并模擬傳感器輸出。 Agilent E3631A的通道CH1設置為24 V以充當評估板的VCC電源，另一個通道CH2設置為5 V以產生共模電壓。 CH2與Yokogawa GS200串聯(lián)，如圖7所示。Yokogowa通過1.5 kΩ串聯(lián)電阻連接到評估板的輸入端子，該電阻模擬電橋阻抗。 Yokogawa在儀表放大器輸入端產生±500 mV（25°C時）差分輸入電壓，從而模擬傳感器輸出。

用CN-0355評估軟件捕獲來自EVAL-CN0355-PMDZ評估板的數(shù)據，得出圖8所示的線性度誤差，所用設置如圖10所示。

有關軟件操作的詳情，請參見CN-0355軟件用戶指南。

了解詳情

CN-0355設計支持包：http://www.analog.com/CN0355-DesignSupport

指南MT-004：ADC輸入噪聲面面觀——噪聲是利還是弊？ADI公司。

指南MT-022：ADC架構III：Σ-Δ型ADC基礎，ADI公司。

指南MT-023：ADC架構IV：Σ-Δ型ADC高級概念和應用，ADI公司。

指南MT-031：實現(xiàn)數(shù)據轉換器的接地并解開AGND和DGND的謎團，ADI公司。

指南MT-035：運算放大器輸入、輸出、單電源和軌到軌問題，ADI公司。

指南MT-037：運算放大器輸入失調電壓

指南MT-038：運算放大器輸入偏置電流

指南MT-040：運算放大器輸入阻抗

指南MT-051：電流反饋運算放大器噪聲考慮

指南MT-065：儀表放大器噪聲

指南MT-066：儀表放大器橋接電路誤差預算分析

指南MT-101：耦技術，ADI公司。

Kester, Walt. 1999“溫度傳感器”第7章，ADI公司。

恒定電壓下MEMS壓力傳感器的主動溫度補償和校準，Silicon Microstructures, Inc.美國加利福尼亞州苗必達市

數(shù)據手冊和評估板

AD7793數(shù)據手冊

AD7793評估板

ADA4096-2數(shù)據手冊

AD8420數(shù)據手冊