低成本傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)考慮
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該應(yīng)用中電橋的最大優(yōu)點(diǎn)是它能抑制溫度引起的變化。分析公式15發(fā)現(xiàn)TCR不再是問題。即使電橋電阻加倍輸出仍保持不變。只要所有電阻按同比例變化，其輸出不變!
電橋的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了分辨率要求。在壓力為0psi時(shí)，電橋輸出是0mV，在100psi時(shí)電橋輸出為10mV。要測量0.1psi的壓力，則需要從10mV中分辨10µV。相對于直接測量電阻需要15.6位的分辨率而言，只需要10位的分辨率。
從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，10位ADC不能直接測量10µV的信號。信號必須放大。信號放大的成本可能會(huì)使無需外部放大器的高分辨率ADC更吸引人。低分辨率方案的最大優(yōu)點(diǎn)在于其對基準(zhǔn)的要求。設(shè)計(jì)能在整個(gè)時(shí)間和溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定達(dá)到16位分辨率的電壓基準(zhǔn)、電流源或參考電阻通常是不切實(shí)際的。
該實(shí)例中的數(shù)值選取不是用來刻意突出電橋的重要性。這些數(shù)值對于許多壓阻式壓力傳感器非常典型(見附錄2)。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/161703.htm
惠斯通電橋的線性化
使用非平衡惠斯通電橋的缺點(diǎn)是其具有非線性。公式15分母中的Ru項(xiàng)表示：電橋的輸出與Ru不是線性函數(shù)關(guān)系。電阻變化非常小時(shí)線性誤差也很小，而當(dāng)電橋不平衡時(shí)線性誤差也變大。幸運(yùn)的是，如果ADC參考電壓來自電橋的話，就可消除這個(gè)誤差。
圖10所示為一個(gè)帶數(shù)字顯示的簡單溫度傳感器。溫度感應(yīng)元件(Rt)是鉑RTD。選擇鉑是因?yàn)槠潆娮桦S溫度線性變化。電橋電路除去0°時(shí)的多余信號，這樣可使ADC的讀數(shù)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(shù)，但是它們共同作用的結(jié)果是線性的。 
圖10. 在具有數(shù)字顯示的簡單的溫度傳感器中，電橋電路除去0°時(shí)的多余信號，使得ADC讀數(shù)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(gè)參考電壓時(shí)，ADC輸出變?yōu)镽t的線性函數(shù)，并減去所期望的偏移項(xiàng)。
D = Rt(R3/(R1(R2+R3)) - R2/(R2+R3)公式19
在圖10中，R3b和R1b分別調(diào)節(jié)失調(diào)量和靈敏度。當(dāng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，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(gè)明顯誤差來自RTD自身的非線性。0°C至100°C范圍內(nèi)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(diào)誤差和靈敏度誤差進(jìn)行數(shù)字校正。這種校準(zhǔn)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(jī)會(huì)。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(jù)公式19，R4的值不會(huì)影響讀數(shù)。電路中增加R4可以降低RTD的自身熱量。同時(shí)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(nèi)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(jié)束語
在許多傳感器應(yīng)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(dāng)?shù)年P(guān)系，可以省去電壓基準(zhǔn)和電流源。除了降低成本和節(jié)省空間之外，這些電路還可消除不理想基準(zhǔn)所引入的誤差，改善性能。
相類似的文章發(fā)表于2005年7月的Sensors雜志。
附錄1. 電流驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)芯片。采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)，將四個(gè)壓敏電阻植入硅片，并用金屬引線連接電阻構(gòu)成電橋結(jié)構(gòu)。然后，在硅晶片的背面有選擇地蝕刻硅片，就可產(chǎn)生一個(gè)很薄的隔膜。當(dāng)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(gè)凹坑對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的壓力傳感器。批量生產(chǎn)使這種傳感器成本降低。硅晶片的特性使其具有高強(qiáng)度，并提供相對較大的輸出信號。
硅晶片還具有導(dǎo)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(yùn)的是，電橋電阻的阻抗在靈敏度下降時(shí)以相同的速率增加。當(dāng)這些傳感器由一個(gè)電流源供電時(shí)，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(gè)在限定溫度范圍內(nèi)與溫度無關(guān)的輸出信號。
為抑制電阻隨溫度變化的影響，至關(guān)重要的是四個(gè)電阻要具有相同的溫度系數(shù)(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(shí)制作四個(gè)電阻可以使得TCR本質(zhì)上完全相同。
習(xí)慣上，還可使四個(gè)電阻均隨壓力變化。其中兩個(gè)電阻的阻值隨壓力增加而增加，另兩個(gè)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(gè)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(diào)節(jié)器與電壓基準(zhǔn)
大多數(shù)電路至少具有一個(gè)穩(wěn)壓器來為IC提供一個(gè)穩(wěn)定的供電電壓。雖然這些穩(wěn)壓器的精度、電源抑制和溫度穩(wěn)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(wěn)定性的需求。電壓基準(zhǔn)在整個(gè)寬溫度范圍內(nèi)都相當(dāng)精確，但不具有穩(wěn)壓器的負(fù)載處理性能。例如，低噪聲穩(wěn)壓器MAX8510具有優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo)，甚至可以在低精度應(yīng)用中作為基準(zhǔn)。然而，MAX8510的電壓穩(wěn)定性等級要低于諸如MAX6126的低噪聲電壓基準(zhǔn)。MAX6126具有良好的初始精度和穩(wěn)定性，但它僅能提供MAX8510負(fù)載能力1/10的電流。大多數(shù)非比例測量電路同時(shí)需要穩(wěn)壓器和電壓基準(zhǔn)。
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