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轻松应对传感器信号调节所面临的挑战

导读: 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。

  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。

  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:

  

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