低成本傳感器及A/D轉換接口的設計考慮

惠斯通電橋的線性化

使用非平衡惠斯通電橋的缺點是其具有非線性。公式15分母中的Ru項表示：電橋的輸出與Ru不是線性函數關系。電阻變化非常小時線性誤差也很小，而當電橋不平衡時線性誤差也變大。幸運的是，如果ADC參考電壓來自電橋的話，就可消除這個誤差。

圖10所示為一個帶數字顯示的簡單溫度傳感器。溫度感應元件(Rt)是鉑RTD。選擇鉑是因為其電阻隨溫度線性變化。電橋電路除去0°時的多余信號，這樣可使ADC的讀數等于溫度。公式17給出了圖10中的電橋信號(Vs)。公式18是ADC的參考電壓。兩信號都是Rt的非線性函數，但是它們共同作用的結果是線性的。


圖10. 在具有數字顯示的簡單的溫度傳感器中，電橋電路除去0°時的多余信號，使得ADC讀數等于溫度。

Vs = (Vb)(R3/(R2+R3) - (R1/(R1+Rt))公式17

Vfer = (Vb)(R1/(R1+Rt)公式18

ADC的輸出(公式19)是將公式17和18中的Vs和Vref分別代入公式4中得出的。公式19表示采用這個參考電壓時，ADC輸出變為Rt的線性函數，并減去所期望的偏移項。

D = Rt(R3/(R1(R2+R3)) - R2/(R2+R3)公式19

在圖10中，R3b和R1b分別調節失調量和靈敏度。當進行調節時，顯示器將直接以°C或°F為單位顯示溫度的大小。唯一的一個明顯誤差來自RTD自身的非線性。0°C至100°C范圍內該誤差僅為十分之幾攝氏度。

通過MAX1492 ADC的串行接口，還可對圖10電路的失調誤差和靈敏度誤差進行數字校正。這種校準方法不僅無需R1a和R3a，而且還提供了校正RTD中線性誤差的機會。如果需要更高的測量分辨率，可用MAX1494替換MAX1492，可使分辨率上升一位。

根據公式19，R4的值不會影響讀數。電路中增加R4可以降低RTD的自身熱量。同時也減弱了來自電橋的信號，并且降低了參考電壓。雖然MAX1492無內部PGA，但是它允許使用較小的參考電壓。使用較小的參考電壓可以省去額外的放大電路。

結束語

在許多傳感器應用中，利用簡單電路，使傳感器輸出和ADC參考輸入之間保持適當的關系，可以省去電壓基準和電流源。除了降低成本和節省空間之外，這些電路還可消除不理想基準所引入的誤差，改善性能。

相類似的文章發表于2005年7月的Sensors雜志。

附錄1. 電流驅動傳感器的綜合特性

目前最常見的壓力傳感器是由硅晶片制成的，硅晶片類似于計算機芯片。采用標準的半導體制造工藝技術，將四個壓敏電阻植入硅片，并用金屬引線連接電阻構成電橋結構。然后，在硅晶片的背面有選擇地蝕刻硅片，就可產生一個很薄的隔膜。當完成后，硅晶片的背面看起來像具有凹坑的華夫餅干，每一個凹坑對應一個獨立的壓力傳感器。批量生產使這種傳感器成本降低。硅晶片的特性使其具有高強度，并提供相對較大的輸出信號。

硅晶片還具有導致這些傳感器靈敏度隨溫度變化下降的不良特性，變化速率的典型值大于2000ppm/°C。幸運的是，電橋電阻的阻抗在靈敏度下降時以相同的速率增加。當這些傳感器由一個電流源供電時，電橋電壓則隨靈敏度下降以相同的速率增加。這樣可提供一個在限定溫度范圍內與溫度無關的輸出信號。

為抑制電阻隨溫度變化的影響，至關重要的是四個電阻要具有相同的溫度系數(TCR)，并處于相同的溫度。硅傳感器可以很容易地滿足這些要求。小尺寸傳感器可確保溫度一致，同時制作四個電阻可以使得TCR本質上完全相同。

習慣上，還可使四個電阻均隨壓力變化。其中兩個電阻的阻值隨壓力增加而增加，另兩個電阻的阻值則隨壓力增加而減小。這不僅使電橋輸出增加了四倍，而且還消除了由單個有源元件組成的非平衡電橋中存在的非線性誤差。

附錄2. 電壓調節器與電壓基準

大多數電路至少具有一個穩壓器來為IC提供一個穩定的供電電壓。雖然這些穩壓器的精度、電源抑制和溫度穩定性很適合為IC供電，但其無法滿足高精度模擬測量對于穩定性的需求。電壓基準在整個寬溫度范圍內都相當精確，但不具有穩壓器的負載處理性能。例如，低噪聲穩壓器MAX8510具有優異的技術指標，甚至可以在低精度應用中作為基準。然而，MAX8510的電壓穩定性等級要低于諸如MAX6126的低噪聲電壓基準。MAX6126具有良好的初始精度和穩定性，但它僅能提供MAX8510負載能力1/10的電流。大多數非比例測量電路同時需要穩壓器和電壓基準。