低功耗、溫度補償式電橋信號調(diào)理器和驅(qū)動器電路

帶溫度補償?shù)牟罘蛛姌蛐?a class="contentlabel" href="http://www.104case.com/news/listbylabel/label/傳感器">傳感器監(jiān)控電路是一款適用于電橋型傳感器的完整低功耗信號調(diào)理器，包括一個溫度補償通道。該電路非常適合驅(qū)動電壓介于5V和15V之間的各類工業(yè)壓力傳感器和稱重傳感器。

功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一款適用于電橋型傳感器的完整低功耗信號調(diào)理器，包括一個溫度補償通道。該電路非常適合驅(qū)動電壓介于5V和15V之間的各類工業(yè)壓力傳感器和稱重傳感器。

利用24位Σ-Δ型ADC的內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)，該電路可以處理大約10mV到1V的滿量程信號，因此它適用于種類廣泛的壓力傳感器。

整個電路僅使用三個IC，功耗僅1mA(不包括電橋電流)。比率式技術(shù)確保系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性不依賴于基準電壓源。

圖1.帶溫度補償?shù)牟罘蛛姌蛐蛡鞲衅鞅O(jiān)控器(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

電路描述

圖1所示電路基于24位Σ-Δ型ADCAD7793。該ADC有三路差分模擬輸入和一個增益范圍為單位增益到128的片內(nèi)低噪聲PGA，因此非常適合多個傳感器接口。AD7793的最大功耗僅500μA，因而適合低功耗應用。它內(nèi)置一個低噪聲、低漂移帶隙基準電壓源，也可采用外部差分基準電壓。輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件在4.17Hz至470Hz范圍內(nèi)設置。

AD8420是一款低功耗儀表放大器，電源電流最大值為80μA，可以采用最高36V的單電源供電，用于消除橋式傳感器的共模電壓。需要時，它也可為傳感器的小差分信號輸出提供增益。

ADA4096-2是一款雙通道運算放大器，每個放大器的典型電源電流為60μA，具有最高30V的寬工作輸入電壓范圍，用于驅(qū)動傳感器電橋。ADA4096-2的另一半用作基準電壓緩沖器。

有很多種類的壓力傳感器需要5V至15V之間的電壓驅(qū)動。圖1所示電路為橋式傳感器提供了一種完整的解決方案，包含四個關(guān)鍵部分：傳感器電壓驅(qū)動、儀表放大器、基準電壓緩沖器和ADC。

橋式傳感器電壓驅(qū)動

ADA4096-2配置為同相放大器，其配置增益由反饋電阻設置，如圖2所示。

增益通過配置表1列出的跳線來設置。

傳遞函數(shù)計算如下：

其中，RF可以是40.2kΩ、91kΩ或140kΩ，R8=10kΩ。

NPN晶體管用于提高驅(qū)動橋式傳感器所需的電流。提供給ADA4096-2反相輸入端的反饋使得反相輸入電壓等于同相輸入電壓，從而確保橋式電路上的電壓驅(qū)動保持恒定的電壓。

晶體管Q1為BJT，最大擊穿電壓為80V，25°C時功耗為0.35W。集電極最大電流為500mA。

儀表放大器

AD8420抑制電橋處產(chǎn)生的共模電壓，僅放大差分電橋電壓，如圖3所示。AD8420具有與輸入共模電壓完全無關(guān)的軌到軌輸出電壓擺幅。該特性使得AD8420擺脫了大多數(shù)傳統(tǒng)儀表放大器架構(gòu)存在的、共模輸入和輸出電壓之間交互作用導致的多種限制。該儀表放大器的增益設置為1。

AD8420的輸入端有一個差模噪聲濾波器(20kΩ/1μF/100nF)，其帶寬為7.6Hz，還有一個共模噪聲濾波器(10kΩ/100nF)，其帶寬為150Hz。

傳統(tǒng)儀表放大器架構(gòu)需要使用低阻抗源驅(qū)動基準電壓引腳，基準電壓引腳上的任何阻抗都會降低共模抑制比(CMRR)和增益精度。而對于AD8420架構(gòu)，基準電壓引腳上的電阻對CMRR無影響。AD8420的傳遞函數(shù)為：

VOUT = G (VIN+ - VIN-) + VREF

其中：

VREF = 1.05 V

G = 1 + (R12/R10)

在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)，AD8420差分輸入電壓在內(nèi)部被二極管限制在±1V。如果輸入電壓超過此限值，內(nèi)部二極管就會開始傳導并消耗電流。電流在內(nèi)部被限制在保證AD8420安全的值。

基準電壓緩沖器

AD7793產(chǎn)生的210μA激勵電流通過5kΩ電阻，如圖4所示。這將產(chǎn)生1.05V基準電壓，然后由ADA4096-2緩沖。緩沖器的輸出驅(qū)動AD7793和AD8420的基準電壓源。該電路是比率式，因此，5kΩ電阻上的電壓變化(由AD7793產(chǎn)生的210μA激勵電流的5%容差導致)所引起的誤差非常小。該緩沖基準電壓還驅(qū)動放大器以設置橋式傳感器的電壓驅(qū)動(參見圖2)。

ADC通道1配置：橋式傳感器

AD7793的通道1測量AD8420的橋式傳感器輸出。外部VREF(1.05V)用作基準電壓，因此，AD7793的輸入電壓范圍是±1.05V，以+1.05V共模電壓為中心。

ADC通道2配置：溫度傳感器

AD7793的第二通道監(jiān)控電阻溫度檢測器(RTD)上產(chǎn)生的電壓，該RTD由210μA激勵電流驅(qū)動，如圖5所示。

盡管100Ω鉑RTD十分常見，但也可指定其他電阻(200Ω、500Ω、1000Ω等)和材料(鎳、銅、鎳鐵)。本應用采用100ΩDIN43,760A類RTD。

圖5所示的4線(開爾文)連接可消除RTD引腳電阻效應。注意：利用鏈路P3和鏈路P4，也可以使用2線、3線或4線配置，如表2所示。

如果不需要溫度補償，可利用鏈路P9旁路RTD。

輸出編碼

任一通道上輸入電壓的輸出代碼為：

其中：

AIN=AIN(+)AIN(-)=AIN(+)VREF

Gain為PGA增益設置，N=24。

電源電壓要求

為使電路正常工作，電源電壓VCC必須大于6V，以便為橋式傳感器提供最低5V驅(qū)動。

系統(tǒng)校準

有多種方法可執(zhí)行壓力傳感器溫度校準。本應用采用四點校準程序。SiliconMicrostructures,Inc.(位于美國加利福尼亞州苗必達市)的AN13-01(恒定電壓下MEMS壓力傳感器的主動溫度補償和校準)為校準程序提供了很好的參考。