大信號輸出的硅應(yīng)變計(jì)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的接口實(shí)現(xiàn)

　　VOUTmax=5.25V×(100psi×300μV/V/psi×(1+(-2500×10-6/℃)× (-40℃-25℃))+3mV/V+(-0.015mV/V/℃)×(-40℃-25℃))=204mV

　　VOUTmin = 5.25×(-3mV/V + ( 0.015mV/V/℃×(-40℃-25℃)))=-21mV

　　因此，ADC的輸入范圍是-21～+204mV。

　　分辨率

　　適用于本應(yīng)用的ADC應(yīng)具有-21～+204mV 的輸入范圍和30μV/count的電壓分辨率。該ADC的編碼總數(shù)為(204mV + 21mV)/(30μV/count)=7500，動(dòng)態(tài)范圍稍低于13位。如果傳感器的輸出范圍與ADC的輸入范圍完全匹配，那么一個(gè)13位的轉(zhuǎn)換器就可 以滿足需要。由于-21～+204mV的量程與通常的ADC輸入范圍都不匹配，因此要么對輸入信號進(jìn)行電平移動(dòng)和放大，要么選用更高分辨率的ADC。幸運(yùn) 的是，當(dāng)前Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的分辨率很高，具有雙極性輸入和內(nèi)部放大器，使高分辨率ADC的使用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這些Σ-ΔADC提供了更為經(jīng)濟(jì)的方案，而不需要增 加其他元器件。這不僅減小了電路板尺寸，還避免了放大和電平移位電路所引入的漂移誤差。

　　工作于5V電源的典型Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，采用2.5V參考電壓，具有±2.5V的輸入電壓范圍。為了滿足我們對于壓力傳感器分辨率的要求，這種ADC的 動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)當(dāng)是：(2.5V - (- 2.5V)) /(30μV/count)=166 667，這相當(dāng)于17.35位的分辨率，很多ADC都能滿足該要求，例如18位的MAX1400。如果選用SAR ADC，則產(chǎn)生很大的浪費(fèi)，因?yàn)檫@是將18位轉(zhuǎn)換器用于13位應(yīng)用，且只產(chǎn)生11位的結(jié)果。然而，選用18位(17位加上符號位)的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器更為現(xiàn) 實(shí)，盡管三個(gè)最高位其實(shí)并沒有使用。因?yàn)槌肆畠r(jià)外，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器還具有高輸入阻抗和很好的噪聲抑制特性。

　　18位ADC可以用內(nèi)置放大器的低分辨率轉(zhuǎn)換器來代替，例如16位的MAX1416。其8倍的增益相當(dāng)于將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果向高位移了3位，從而利用 了全部的轉(zhuǎn)換位并將轉(zhuǎn)換需求減少到15位。不過要選用無增益的高分辨率轉(zhuǎn)換器，還是有增益的低分辨率轉(zhuǎn)換器，就要看具體情況下的增益和轉(zhuǎn)換速率下的噪聲規(guī) 格。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的有效分辨率通常受到噪聲的限制。

　　溫度測量

　　如果測量溫度僅僅是為了對壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，那么溫度測量不要求十分準(zhǔn)確，只要測量結(jié)果與溫度的對應(yīng)關(guān)系具有足夠的可重復(fù)性即可，這樣將會(huì)有更大 的靈活性和較寬松的設(shè)計(jì)要求。對于硅壓力傳感器，有三個(gè)基本的設(shè)計(jì)要求：避免自加熱，具有足夠的溫度分辨率，保證在ADC的測量范圍之內(nèi)。

　　使最大Vt電壓接近于最大壓力信號有利于采用相同的ADC和內(nèi)部增益來測量溫度和壓力。本例中的最大輸入電壓為+ 204mV，考慮到電阻的誤差，最高溫度信號電壓可保守地選擇為+180mV。將Rt上的電壓限制到+180mV也有利于避免Rt的自加熱問題。一旦最大 電壓選定，根據(jù)在85℃ (Rt=132.8Ω)，VB=5.25V的條件下產(chǎn)生該最大電壓可以計(jì)算得到R1。R1的值可通過公式(3)進(jìn)行計(jì)算，公式中的Vtmax是RT上所允許的最大壓降。溫度分辨率等于ADC的電壓分辨率除以Vt的溫度敏感度。公式(4)給出了溫度分辨率的計(jì)算方法。(注意：本例計(jì)算的是最小電壓分辨率，是一種較為保守的設(shè)計(jì)。你也可以使用實(shí)際的ADC無噪聲分辨。)

　　R1= Rt×(VB/Vtmax-1) (3)

　　R1=132.8Ω×(5.25V/0.18V-1)≈3.7kΩ

　　TRES=VRES×(R1 + Rt)2/(VB×R1×ΔRt/℃) (4)

　　這里，TRES是ADC所能分辨的攝氏溫度測量分辨率。

　　TRES=30μV/count×(3700Ω+ 132.8Ω)2/(4.75V×3700Ω×0.38Ω/℃)≈0.07℃/count

　　0.07℃的溫度分辨率足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。但是，如果需要更高的分辨率，有以下幾個(gè)選擇：使用一個(gè)更高分辨率的ADC;將RTD換成熱敏電阻，或?qū)TD用于電橋，以便在ADC中能夠使用更高的增益。

　　注意，要得到有用的溫度結(jié)果，軟件必須對供電電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償。另外一種代替方法是將R1連接到VREF，而不是VB。這樣可使Vt不依賴于VB，但也增加了參考電壓的負(fù)載。

　　結(jié)論

　　硅壓阻公式應(yīng)變計(jì)比較高的輸出幅度使其可以直接和低成本、高分辨率Σ-ΔADC接口。這樣避免了放大和電平移位電路帶來的成本和誤差。另外，這種應(yīng)變計(jì)的熱特性和ADC的比例特性可被用來顯著降低高精度電路的復(fù)雜程度。