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基于惠斯頓電橋的壓力傳感器的解決方案
作者：RFID世界網(wǎng) 收編
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
日期：2010-11-16 08:41:06
摘要：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(zhuǎn)換這種橋傳感器輸出的處理電路，包括偏移和增益校準(zhǔn)。
所有類型的傳感器在過(guò)去幾年中都有了很大發(fā)展，而且與之前的產(chǎn)品相比，更加精確也更穩(wěn)定。有的時(shí)候，這些傳感器使用起來(lái)并不簡(jiǎn)單。面向這些傳感器的調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)師，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)此類電路的開發(fā)多少有些令人頭疼。然而，只需少量基礎(chǔ)知識(shí)并使用新的在線傳感器設(shè)計(jì)工具，這個(gè)過(guò)程面臨的很多挑戰(zhàn)都能夠迎刃而解。
雖然現(xiàn)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(zhuǎn)換這種橋傳感器輸出的處理電路，包括偏移和增益校準(zhǔn)。
基于惠斯頓電橋的壓力傳感器
許多壓力傳感器使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，它們由4個(gè)采用惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)連接的壓敏電阻組成。當(dāng)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(dāng)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?yàn)閭鞲衅鞔嬖谄坪驮鲆嬲`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?jìng)鞲衅鬏敵鱿鄬?duì)于施加于傳感器外力的敏感程度。典型傳感器一般規(guī)定激勵(lì)電壓為5V，具有20mV/V的標(biāo)稱滿刻度輸出。這意味著在激勵(lì)電壓為5V時(shí)，標(biāo)稱滿刻度輸出為：20 mV/V × 5 V = 100 mV.
偏移電壓可能是2mV，或滿刻度的2%；最小和最大滿刻度輸出電壓可能是50mV和150mV，或標(biāo)稱滿刻度的±50%。
假設(shè)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(jié)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(jié)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為惠斯頓橋。
幸運(yùn)的是，給定傳感器的偏移和滿刻度誤差隨時(shí)間變化相當(dāng)穩(wěn)定，因此一旦傳感器得到校準(zhǔn)，在該傳感器生命期內(nèi)可能無(wú)需改變校準(zhǔn)系數(shù)就能滿足精度要求。當(dāng)然，在每次上電時(shí)通常需要再次校準(zhǔn)系統(tǒng)。
基本信號(hào)調(diào)節(jié)電路由一個(gè)儀表放大器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)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。
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(wèn)題在于，限制了可測(cè)量的傳感器范圍。如果偏移是正的，將限制可以測(cè)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(wú)法精確測(cè)量很小的傳感器輸出電平，因?yàn)樵诔^(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(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(guò)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(guó)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(guò)程和系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的軟件校準(zhǔn)過(guò)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(wèn)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(wèn)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(jiàn)。
雖然對(duì)某些應(yīng)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(duì)其它應(yīng)用來(lái)說(shuō)這卻是個(gè)問(wèn)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(méi)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(guó)半公司的開關(guān)電容電壓反向器LM2787提供了一種簡(jiǎn)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(wèn)題，因?yàn)槠骷倪壿嫷碗娖綄⒈鹊仄弥蹈叱鲆恍Ｈ欢?，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(guò)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(wú)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(wú)需差分到單端放大器電路。因此這是一種既簡(jiǎn)單又不失高效的完美解決方案。
雖然現(xiàn)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(zhuǎn)換這種橋傳感器輸出的處理電路，包括偏移和增益校準(zhǔn)。
基于惠斯頓電橋的壓力傳感器
許多壓力傳感器使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，它們由4個(gè)采用惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)連接的壓敏電阻組成。當(dāng)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(dāng)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?yàn)閭鞲衅鞔嬖谄坪驮鲆嬲`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?jìng)鞲衅鬏敵鱿鄬?duì)于施加于傳感器外力的敏感程度。典型傳感器一般規(guī)定激勵(lì)電壓為5V，具有20mV/V的標(biāo)稱滿刻度輸出。這意味著在激勵(lì)電壓為5V時(shí)，標(biāo)稱滿刻度輸出為：20 mV/V × 5 V = 100 mV.
偏移電壓可能是2mV，或滿刻度的2%；最小和最大滿刻度輸出電壓可能是50mV和150mV，或標(biāo)稱滿刻度的±50%。
假設(shè)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(jié)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(jié)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為惠斯頓橋。
圖1：受激勵(lì)電壓VEX和差分輸出電壓V驅(qū)動(dòng)的惠斯頓橋
幸運(yùn)的是，給定傳感器的偏移和滿刻度誤差隨時(shí)間變化相當(dāng)穩(wěn)定，因此一旦傳感器得到校準(zhǔn)，在該傳感器生命期內(nèi)可能無(wú)需改變校準(zhǔn)系數(shù)就能滿足精度要求。當(dāng)然，在每次上電時(shí)通常需要再次校準(zhǔn)系統(tǒng)。
基本信號(hào)調(diào)節(jié)電路由一個(gè)儀表放大器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)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(diào)節(jié)電路
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(wèn)題在于，限制了可測(cè)量的傳感器范圍。如果偏移是正的，將限制可以測(cè)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(wú)法精確測(cè)量很小的傳感器輸出電平，因?yàn)樵诔^(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(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(guò)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(guó)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(guò)程和系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的軟件校準(zhǔn)過(guò)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(wèn)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(wèn)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(jiàn)。
雖然對(duì)某些應(yīng)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(duì)其它應(yīng)用來(lái)說(shuō)這卻是個(gè)問(wèn)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(méi)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(guó)半公司的開關(guān)電容電壓反向器LM2787提供了一種簡(jiǎn)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(wèn)題，因?yàn)槠骷倪壿嫷碗娖綄⒈鹊仄弥蹈叱鲆恍Ｈ欢?，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(guò)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(wú)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(wú)需差分到單端放大器電路。因此這是一種既簡(jiǎn)單又不失高效的完美解決方案。
