基于惠斯顿电桥的压力传感器的解决方案

原文转自：https://tech.hqew.com/fangan_112687

所有类型的传感器在过去几年中都有了很大发展，而且与之前的产品相比，更加精确也更稳定。有的时候，这些传感器使用起来并不简单。面向这些传感器的调节电路设计师，经常发现此类电路的开发多少有些令人头疼。然而，只需少量基础知识并使用新的在线传感器设计工具，这个过程面临的很多挑战都能够迎刃而解。

　　虽然现在市面上有多种传感器，但压力传感器最为常见。因此，本文将讨论基于惠斯顿电桥压力传感器的基本工作原理，以及用于转换这种桥传感器输出的处理电路，包括偏移和增益校准。

　　基于惠斯顿电桥的压力传感器

　　许多压力传感器使用微机电系统(MEMS)技术，它们由4个采用惠斯顿电桥结构连接的压敏电阻组成。当这些传感器上没有压力时，桥中的所有电阻值都是相等的。当有外力施加于电桥时，两个相向电阻的阻值将增加，而另两个电阻的阻值将减小，而且增加和减小的阻值彼此相等。

　　遗憾的是，事情并非如此简单，因为传感器存在偏移和增益误差。偏移误差是指没有压力施加于传感器时存在输出；增益误差指传感器输出相对于施加于传感器外力的敏感程度。典型传感器一般规定激励电压为5V，具有20mV/V的标称满刻度输出。这意味着在激励电压为5V时，标称满刻度输出为：20 mV/V × 5 V = 100 mV.

　　偏移电压可能是2mV，或满刻度的2%；最小和最大满刻度输出电压可能是50mV和150mV，或标称满刻度的±50%。

　　假设两个电阻串联形成电阻串，由于是等值电阻，因此两电阻间的节点电压是电阻串电压的一半。如果一个电阻值增加1%，另一个电阻减小1%，那么两个电阻节点处的电压将改变1%。如果将两个电阻串进行并联，如图1所示，左边下方的电阻和右边上方的电阻阻值均减小1%，另外两个电阻增加1%，那么两个“中”点间的电压将从零差值变为改变2%。两个并行分支的这种配置就被称为惠斯顿桥。

图1：受激励电压VEX和差分输出电压V驱动的惠斯顿桥。

　　如果不了解偏移以及传感器输出电压和压力之间的真实关系，我们就只能粗略估计施加于传感器上的压力大小。这意味着需要采样校准的方法来获得更好的精度。

　幸运的是，给定传感器的偏移和满刻度误差随时间变化相当稳定，因此一旦传感器得到校准，在该传感器生命期内可能无需改变校准系数就能满足精度要求。当然，在每次上电时通常需要再次校准系统。

　　基本信号调节电路由一个仪表放大器和一个模数转换器(ADC)组成。仪表放大器将来自传感器的小输出电压放大到适合ADC的电平，然后由ADC将放大后的传感器输出电压转换为数字式，再交给控制器或DSP处理(图2)。仪表放大器可以用来避免桥过载，而这种过载会改变传感器输出电压值。

图2：基本压力传感器调节电路。

　　传感器的满刻度输出即最大输入，能够在放大器输入端看到。当传感器输出处于满刻度时，ADC输入应该接近其满刻度值，这个值通常就是ADC的参考电压VREF。放大器要求的增益大小为：

　　其中VREF代表ADC的参考电压，“Sensor FS”是传感器的满刻度输出值。假设电阻完美匹配，那么仪表放大器的增益等于：

　　需要解决的挑战

　　如前所述，关于传感器有两大挑战需要解决：首先是传感器具有输出偏移，这个偏移可以在图2中的VOFF点加合适的电压进行调整，或者在传感器输出被数字化后用软件消除。如果用软件处理，那么VOFF就变成0伏。

　　用软件消除偏移的问题在于，限制了可测量的传感器范围。如果偏移是正的，将限制可以测量的最大传感器输出，因为放大的传感器输出可能比期望的更早达到ADC满刻度值。如果偏移是负的，将无法精确测量很小的传感器输出电平，因为在超过放大的偏移值之前，ADC输出代码不会高过零值。

　　第二个挑战是可能针对传感器满刻度输出的输出电压值范围。例如，标称满刻度输出电压为100mV的传感器可能有这样一个指标，它表明了这种满刻度输出低至50mV和高至150mV的可能性。

　　如果满刻度传感器输出低于标称值，ADC的满刻度范围就不会使用。如果满刻度传感器输出超过标称值，ADC输出将在传感器输出达到其满刻度之前先达到ADC满刻度输出值。此外，如果传感器输出或放大器本身有漂移，那么在读数时将存在某种不确定性和不精确性。

　　幸运的是，目前的传感器即使有时间漂移也非常小，仔细选择放大器可以使放大器漂移最小。因此，在制造期间和/或系统上电时，电路增益可以一次调整到位。

达到这个目的的方法之一是使用数模转换器(DAC)调整ADC参考电压VREF，以补偿传感器的满刻度误差，使用另一个DAC调整图2中的VOFF以补偿偏移误差。双通道DAC，如国半的DAXxx2S085（其中“xx”可以是08、10或12，代表DAC分辨率），将是这种应用的理想之选。另外一种方法，是在传感器输出被数字化后，用软件校准这些误差。

　　解决这两个挑战的最佳方案，是在制造过程和系统启动时的软件校准过程中，调整偏移和增益误差。这种方法允许用软件实现最小误差校准，并保持ADC的最大可用动态范围。

　　第三个问题是，单端ADC通常要求其输入可以被驱动到非常接近零伏，以产生零输出代码。问题产生的原因是，用于驱动ADC输入的放大器不能产生低于50mV左右的输出。即使所所用的放大器具有轨到轨输出能力，这种现象也很常见。

　　虽然对某些应用来说，电路无法提供最小的ADC零输出代码没什么关系，但对其它应用来说这却是个问题。对于后者，解决方案包括：

　　* 给驱动单端输入ADC的放大器提供负电源。

　　* 使用既带正参考电压又带负参考电压的单端ADC，这些参考电压可以设为比器件地高的值，并相应抵消ADC输入电压。

　　* 将ADC的地偏置到约100mV。

　　* 偏移ADC输入，丢弃ADC输出端的一些代码，用软件进行调整

　　* 使用差分输入ADC。

　　驱动ADC的放大器使用负电源有个缺点，即系统中可能没有负电源，而单为这个放大器提供一个负电源又似乎不太可行。对此，国半公司的开关电容电压反向器LM2787提供了一种简单的解决方案。

　　所有ADC都有一个正参考电压和一个负参考电压。这两个参考电压之间的差值就是所谓的ADC“参考电压”。负参考和正参考电压分别定义了输入最小和最大电压。遗憾的是，目前许多ADC内部将负参考电压定义为器件地，这是为了将ADC集成在具有更少外部引脚的更小封装中而作出的牺牲。

　　提高ADC的地电平通常不是件容易的事。另外，将它偏置得太高可能会出现输出接口问题，因为器件的逻辑低电平将比地偏置值高出一些。然而，这样做与将ADC负参考电压定义为低值(也许70mV至100mV)具有相同的效果。

　　增加ADC偏移并对ADC满刻度输入值作合适调整是一种可行的方法，但会降低ADC使用的动态范围。这样做相当于提供图2所示的正VOFF，减少放大器增益，以便ADC输入不超过ADC参考电压，并对ADC输出代码进行软件调整。

　　使用差分输入ADC是一种最好的方法，它能获得ADC零输出代码，在ADC输入端的整个输入电压范围内保持良好的电路线性，并且无需在系统中使用负电压。在这种方法中，差分放大器的输出反馈到ADC的差分输入端，无需差分到单端放大器电路。因此这是一种既简单又不失高效的完美解决方案。

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