電橋測量基礎(圖)

 
電橋是精密測量電阻或其他模擬量的一種有效的方法。本文介紹了如何實現具有較大信號輸出的硅應變計與模數轉換器(ADC)的接口，特別是Σ-Δ ADC，當使用硅應變計時，它是一種實現壓力變送器的低成本方案

硅應變計

硅應變計的優點在于高靈敏度，它通過感應由應力引發的硅材料體電阻變化來檢測壓力。相比于金屬箔或粘貼絲式應變計，其輸出通常要大一個數量級。這種硅應變計的輸出信號較大，可以與較廉價的電子器件配套使用。但是，這些小而脆器件的安裝和連線非常困難，因而增加了成本，限制了它們在粘貼式應變計應用中的使用。

不過，用MEMS工藝制作的硅壓力傳感器卻克服了這些弊病。這種MEMS壓力傳感器采用了標準的半導體工藝和特殊的蝕刻技術。這種特殊的蝕刻技術可選擇性地從晶圓的背面除去一部分硅，從而生成由堅固的硅邊框包圍的、數以百計的方形薄膜。而在晶圓的正面，每一個小薄膜的每個邊上都植入了一個壓敏電阻，用金屬線把小薄片周邊的四個電阻連接起來就形成一個惠斯登電橋。最后，使用鉆石鋸從晶圓上鋸下各個傳感器。這時，硅傳感器已經初具形態，但還需要配備壓力端口和連接引線方可使用。這些小傳感器便宜而且相對可靠，但受溫度變化影響較大，而且初始偏移和靈敏度的偏差很大。

壓力傳感器實例

在此給出一個壓力傳感器的實例,其所涉及的原理適用于任何使用類似電橋的傳感器。公式1給出了一個原始的壓力傳感器的輸出模型。其中，VOUT在給定壓力P下具有很寬的變化范圍，不同傳感器在同一溫度下，或者同一傳感器在不同溫度下，其VOUT都有所不同。因此要提供一個一致的、有意義的輸出，每個傳感器都必須進行校正，以補償器件之間的差異和溫度漂移。長期以來，校準都是通過模擬電路進行的。然而，現代電子學的進展使得數字校準比模擬校準更具成本效益，而且其準確性也更好。此外，利用一些模擬技術“竅門”，可以在不犧牲精度的前提下簡化數字校準。 

VOUT=VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0))                      （1）

式中，VOUT為電橋輸出，VB是電橋的激勵電壓，P是外加壓力，T0是參考溫度，S0是T0溫度下的靈敏度，S1是靈敏度的溫度系數(TCS)，U0是在無壓力情況下電橋在溫度T0時的輸出偏移量(或失衡)，而U1則是偏移量的溫度系數(OTC)。公式(1)使用一次多項公式來對傳感器進行建模，而有些應用場合可能會用到高次多項公式、分段線性技術或者分段二次逼近模型，并為其中的系數建立一個查尋表。無論使用哪種模型，數字校準時都要對VOUT、VB和T進行數字化，同時要采用某種方公式來確定全部系數并進行必要的計算。公式(2)由公式(1)變化所得，從中可清楚地看到，通過數字計算(通常由微控制器(MCU)執行)而輸出精確壓力值所需的信息。 


P=(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0))                   (2)

電壓驅動


圖1 該電路直接測量計算實際壓力所需的變量(激勵電壓、溫度和電橋輸出)

在圖1所示的電路中，一個高精度ADC先對VOUT (AIN1/AIN2)、溫度(AIN3/AIN4)和VB (AIN5/AIN6)進行數字化，這些測量值隨后被傳送到MCU，在那里轉換成實際的壓力。電橋直接由電源驅動，電源同時也為ADC、電壓基準源和MCU供電。電阻公式溫度檢測器Rt用來測量溫度，ADC內的輸入復用器同時測量電橋、RTD和電源電壓。為確定校準系數，整個系統(或至少是RTD和電橋)被放到恒溫箱里，在多個不同溫度下進行測量。測量數據通過測試系統進行處理，以確定校準系數，最終的系數被下載到MCU并存儲到非易失性存儲器中。 

設計該電路時主要考慮的是動態范圍和ADC的分辨率，最低要求取決于具體應用和所選的傳感器和RTD的參數。 在本例中，傳感器的具體參數如下。 

系統規格