基于惠斯頓電橋的壓力傳感器方案應用

基本信號調節電路由一個(gè)儀表放大器和一個(gè)模數轉換器(ADC)組成。儀表放大器將來(lái)自傳感器的小輸出電壓放大到適合ADC的電平，然后由ADC將放大后的傳感器輸出電壓轉換為數字式，再交給控制器或DSP處理(圖2)。儀表放大器可以用來(lái)避免橋過(guò)載，而這種過(guò)載會(huì )改變傳感器輸出電壓值。

傳感器的滿(mǎn)刻度輸出即最大輸入，能夠在放大器輸入端看到。當傳感器輸出處于滿(mǎn)刻度時(shí)，ADC輸入應該接近其滿(mǎn)刻度值，這個(gè)值通常就是ADC的參考電壓VREF。放大器要求的增益大小為：

其中VREF代表ADC的參考電壓，“Sensor FS”是傳感器的滿(mǎn)刻度輸出值。假設電阻完美匹配，那么儀表放大器的增益等于：

需要解決的挑戰

如前所述，關(guān)于傳感器有兩大挑戰需要解決：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)行調整，或者在傳感器輸出被數字化后用軟件消除。如果用軟件處理，那么VOFF就變成0伏。

用軟件消除偏移的問(wèn)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，因為放大的傳感器輸出可能比期望的更早達到ADC滿(mǎn)刻度值。如果偏移是負的，將無(wú)法精確測量很小的傳感器輸出電平，因為在超過(guò)放大的偏移值之前，ADC輸出代碼不會(huì )高過(guò)零值。

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

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

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

達到這個(gè)目的的方法之一是使用數模轉換器(DAC)調整ADC參考電壓VREF，以補償傳感器的滿(mǎn)刻度誤差，使用另一個(gè)DAC調整圖2中的VOFF以補償偏移誤差。

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)，將是這種應用的理想之選。另外一種方法，是在傳感器輸出被數字化后，用軟件校準這些誤差。

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

第三個(gè)問(wèn)題是，單端ADC通常要求其輸入可以被驅動(dòng)到非常接近零伏，以產(chǎn)生零輸出代碼。問(wèn)題產(chǎn)生的原因是，用于驅動(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，這種現象也很常見(jiàn)。

雖然對某些應用來(lái)說(shuō)，電路無(wú)法提供最小的ADC零輸出代碼沒(méi)什么關(guān)系，但對其它應用來(lái)說(shuō)這卻是個(gè)問(wèn)題。對于后者，解決方案包括：

* 使用差分輸入ADC。

* 給驅動(dòng)單端輸入ADC的放大器提供負電源。

* 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)行調整

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