工業(yè)壓力檢測應用中對信號調理的要求

　　壓力檢測
　　通過檢測機械元件的位移動來測量壓力，例如壓力表膜片、布爾登氣壓計、波紋管和膜盒，當它們受到壓力作用時會產生位移。該位移使應變計的電阻值發(fā)生改變。最流行的壓力傳感器采用的是一種惠斯通（Wheatstone）電阻電橋結構的應變計，其內部是由四個阻值可變的元件構成，因此它具有最佳的線性度和靈敏度。當膜片受到壓力時，電橋中的兩個壓力元件會產生張力；而另外兩個壓力元件會產生壓力。用與此對應的電阻值變化量來度量產生的壓力大小。

　　信號調理
　　為產生一個電信號，用一個恒壓源或者恒流源激勵電橋。這種電信號通常很微弱并且受到噪聲、失調和增益誤差的影響。在對電橋的輸出信號數字化處理之前，必須先將其進行放大和失調處理以便與數模轉換器（ADC）的輸入范圍相匹配，然后再濾除噪聲。雖然信號調理模塊能夠用運算放大器和分立電路元件構成，但是集成的儀表密放大器具有節(jié)省成本、印制電路板面積、和設計時間的優(yōu)點。

　　在典型的壓力傳感器應用中，電阻電橋輸出的電壓差分信號（其輸出范圍從幾十到幾百毫伏）與傳感器受到的壓力和對電橋施加的激勵電壓成比例。為了精確地從高共模電壓中檢測出這種微弱的差分輸出電壓，儀表放大器抑制高共模電壓信號的能力的是非常必要的。例如，12 bit分辯率的ADC要求最低有效位（LSB）小于25 μV（100 mV/4096），或者相對2.5 V共模電壓約為100 dB以下。

　　手動電橋補償
　　壓力傳感器中惠斯通電橋通常都采用手動補償的方法以消除它們的失調和量程誤差。這需要在儀器制造過程中包括調整失調、失調溫度漂移、量程和量程溫度漂移的步驟。調整這些誤差需要時間和成本。另一方面，通過一個數模轉換器（DAC）將一個可設置的直流電壓施加到儀表放大器參考引腳也可以調整失調電壓。失調校正是必須的，因為失調電壓將降低ADC的有用動態(tài)范圍。

　　由于在壓力傳感器中增益的不確定性，使得在大多數基于儀表放大器的系統(tǒng)中都需要增益調整。傳統(tǒng)的做法是增加一個與儀表放大器外部增益電阻器串聯(lián)的調整電位器。為在較寬的溫度范圍內達到較好的性能水平，設計工程師應采取軟件控制增益補償。

　　集成解決方案
　　圖1示出一種采用集成的零漂移數字可編程的信號調理器實例，它提供了從傳感器到ADC的完整信號路徑。它包括一個由三個自動調零放大器（A1，A2，A3）構成的儀表放大器、用于調節(jié)兩級增益的數字電位器、一個用于調節(jié)失調的DAC、開路和短路檢測電路、一個保護控制系統(tǒng)的輸出鉗位電路和一個后備的低通濾波器。

　　圖一AD8555儀表放大器功能框圖
　　FILT /DIGOUT=濾波器/數字輸出

　　為防止傳感器電橋的負載過重，差分輸入的兩個端子（VPOS和VNEG）具有高輸入阻抗和低偏置電流的特性。自動調零電路通過不斷地修正放大器所產生的直流誤差使失調和失調漂移降到最低。在－40