傳感器信號調節問題的解決方法

面向傳感器的調節電路設計師，經常發現此類電路的開發多少有些令人頭疼。然而，只需少量基礎知識并使用新的在線傳感器設計工具，這個過程面臨的很多挑戰都能夠迎刃而解。

雖然現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，以及用于轉換這種橋傳感器輸出的處理電路，包括偏移和增益校準。

基于惠斯頓電橋的壓力傳感器

許多壓力傳感器使用微機電系統(MEMS)技術，它們由4個采用惠斯頓電橋結構連接的壓敏電阻組成。當這些傳感器上沒有壓力時，橋中的所有電阻值都是相等的。當有外力施加于電橋時，兩個相向電阻的阻值將增加，而另兩個電阻的阻值將減小，而且增加和減小的阻值彼此相等。

遺憾的是，事情并非如此簡單，因為傳感器存在偏移和增益誤差。偏移誤差是指沒有壓力施加于傳感器時存在輸出；增益誤差指傳感器輸出相對于施加于傳感器外力的敏感程度。典型傳感器一般規定激勵電壓為5V，具有20mV/V的標稱滿刻度輸出。這意味著在激勵電壓為5V時，標稱滿刻度輸出為：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，或標稱滿刻度的±50%。

假設兩個電阻串聯形成電阻串，由于是等值電阻，因此兩電阻間的節點電壓是電阻串電壓的一半。如果一個電阻值增加1%，另一個電阻減小1%，那么兩個電阻節點處的電壓將改變1%。如果將兩個電阻串進行并聯，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%，另外兩個電阻增加1%，那么兩個“中”點間的電壓將從零差值變為改變2%。兩個并行分支的這種配置就被稱為惠斯頓橋。

圖1：受激勵電壓VEX和差分輸出電壓V驅動的惠斯頓橋。

如果不了解偏移以及傳感器輸出電壓和壓力之間的真實關系，我們就只能粗略估計施加于傳感器上的壓力大小。這意味著需要采樣校準的方法來獲得更好的精度。

幸運的是，給定傳感器的偏移和滿刻度誤差隨時間變化相當穩定，因此一旦傳感器得到校準，在該傳感器生命期內可能無需改變校準系數就能滿足精度要求。當然，在每次上電時通常需要再次校準系統。

基本信號調節電路由一個儀表放大器和一個模數轉換器(ADC)組成。儀表放大器將來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換為數字式，再交給控制器或DSP處理(圖2)。儀表放大器可以用來避免橋過載，而這種過載會改變傳感器輸出電壓值。

圖2：基本壓力傳感器調節電路。

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。當傳感器輸出處于滿刻度時，ADC輸入應該接近其滿刻度值，這個值通常就是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。假設電阻完美匹配，那么儀表放大器的增益等于：