傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)問題的解決方法

面向傳感器的調(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。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。

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(jì)施加于傳感器上的壓力大小。這意味著需要采樣校準(zhǔn)的方法來(lái)獲得更好的精度。

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。

傳感器的滿刻度輸出即最大輸入，能夠在放大器輸入端看到。當(dāng)傳感器輸出處于滿刻度時(shí)，ADC輸入應(yīng)該接近其滿刻度值，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”是傳感器的滿刻度輸出值。假設(shè)電阻完美匹配，那么儀表放大器的增益等于：