傳感器信號調節問(wèn)題的解決方法

面向傳感器的調節電路設計師，經(jīng)常發(fā)現此類(lèi)電路的開(kāi)發(fā)多少有些令人頭疼。然而，只需少量基礎知識并使用新的在線(xiàn)傳感器設計工具，這個(gè)過(guò)程面臨的很多挑戰都能夠迎刃而解。

雖然現在市面上有多種傳感器，但壓力傳感器最為常見(jiàn)。因此，本文將討論基于惠斯頓電橋壓力傳感器的基本工作原理，以及用于轉換這種橋傳感器輸出的處理電路，包括偏移和增益校準。

基于惠斯頓電橋的壓力傳感器

許多壓力傳感器使用微機電系統(MEMS)技術(shù)，它們由4個(gè)采用惠斯頓電橋結構連接的壓敏電阻組成。當這些傳感器上沒(méi)有壓力時(shí)，橋中的所有電阻值都是相等的。當有外力施加于電橋時(shí)，兩個(gè)相向電阻的阻值將增加，而另兩個(gè)電阻的阻值將減小，而且增加和減小的阻值彼此相等。

遺憾的是，事情并非如此簡(jiǎn)單，因為傳感器存在偏移和增益誤差。偏移誤差是指沒(méi)有壓力施加于傳感器時(shí)存在輸出；增益誤差指傳感器輸出相對于施加于傳感器外力的敏感程度。典型傳感器一般規定激勵電壓為5V，具有20mV/V的標稱(chēng)滿(mǎn)刻度輸出。這意味著(zhù)在激勵電壓為5V時(shí)，標稱(chēng)滿(mǎn)刻度輸出為：20 mV/V × 5 V = 100 mV.

偏移電壓可能是2mV，或滿(mǎn)刻度的2%；最小和最大滿(mǎn)刻度輸出電壓可能是50mV和150mV，或標稱(chēng)滿(mǎn)刻度的±50%。

假設兩個(gè)電阻串聯(lián)形成電阻串，由于是等值電阻，因此兩電阻間的節點(diǎn)電壓是電阻串電壓的一半。如果一個(gè)電阻值增加1%，另一個(gè)電阻減小1%，那么兩個(gè)電阻節點(diǎn)處的電壓將改變1%。如果將兩個(gè)電阻串進(jìn)行并聯(lián)，如圖1所示，左邊下方的電阻和右邊上方的電阻阻值均減小1%，另外兩個(gè)電阻增加1%，那么兩個(gè)“中”點(diǎn)間的電壓將從零差值變?yōu)楦淖?%。兩個(gè)并行分支的這種配置就被稱(chēng)為惠斯頓橋。

圖1：受激勵電壓VEX和差分輸出電壓V驅動(dòng)的惠斯頓橋。

如果不了解偏移以及傳感器輸出電壓和壓力之間的真實(shí)關(guān)系，我們就只能粗略估計施加于傳感器上的壓力大小。這意味著(zhù)需要采樣校準的方法來(lái)獲得更好的精度。

幸運的是，給定傳感器的偏移和滿(mǎn)刻度誤差隨時(shí)間變化相當穩定，因此一旦傳感器得到校準，在該傳感器生命期內可能無(wú)需改變校準系數就能滿(mǎn)足精度要求。當然，在每次上電時(shí)通常需要再次校準系統。

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。

圖2：基本壓力傳感器調節電路。

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：