低功耗、溫度補(bǔ)償式電橋信號(hào)調(diào)理器和驅(qū)動(dòng)器

作者：時(shí)間：2016-11-07 來源：網(wǎng)絡(luò)

加入技術(shù)交流群
- 掃碼加入
  和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
  海量資料庫查詢

電路筆記

Circuits from the Lab®參考電路是經(jīng)過測(cè)試的參考設(shè)計(jì)，有助于加速設(shè)計(jì)，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成，幫助并解決當(dāng)今模擬、混合信號(hào)和RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。如需更多信息和/或技術(shù)支持，請(qǐng)?jiān)L問：www.analog.com/CN0355

連接/參考器件

評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

電路評(píng)估板

CN-0355評(píng)估板(EVAL-CN0355-PMDZ)

系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)

SDP-PMOD轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢(shì)

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(hào)調(diào)理器，包括一個(gè)溫度補(bǔ)償通道。該電路非常適合驅(qū)動(dòng)電壓介于5 V和15 V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10 mV到1 V的滿量程信號(hào)，因此它適用于種類廣泛的壓力傳感器。

整個(gè)電路僅使用三個(gè)IC，功耗僅1 mA（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(zhǔn)電壓源。

圖1. 帶溫度補(bǔ)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ADC AD7793。該ADC有三路差分模擬輸入和一個(gè)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(gè)傳感器接口。AD7793的最大功耗僅500 μA，因而適合低功耗應(yīng)用。它內(nèi)置一個(gè)低噪聲、低漂移帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可采用外部差分基準(zhǔn)電壓。輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件在4.17 Hz至470 Hz范圍內(nèi)設(shè)置。

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

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

有很多種類的壓力傳感器需要5 V至15 V之間的電壓驅(qū)動(dòng)。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(gè)關(guān)鍵部分：傳感器電壓驅(qū)動(dòng)、儀表放大器、基準(zhǔn)電壓緩沖器和ADC。

橋式傳感器電壓驅(qū)動(dòng)

ADA4096-2配置為同相放大器，其配置增益由反饋電阻設(shè)置，如圖2所示。

圖2. 傳感器電壓驅(qū)動(dòng)

增益通過配置表1列出的跳線來設(shè)置。

表1. 特定電壓驅(qū)動(dòng)的引腳配置

傳遞函數(shù)計(jì)算如下：

VDRIVE

VREF

其中，RF可以是40.2 kΩ、91 kΩ或140 kΩ，R8 = 10 kΩ。

NPN晶體管用于提高驅(qū)動(dòng)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(dòng)保持恒定的電壓。

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

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(dǎo)致的多種限制。該儀表放大器的增益設(shè)置為1。

圖3. AD8420儀表放大器

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

傳統(tǒng)儀表放大器架構(gòu)需要使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)電壓引腳，基準(zhǔn)電壓引腳上的任何阻抗都會(huì)降低共模抑制比(CMRR)和增益精度。而對(duì)于AD8420架構(gòu)，基準(zhǔn)電壓引腳上的電阻對(duì)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±1 V。如果輸入電壓超過此限值，內(nèi)部二極管就會(huì)開始傳導(dǎo)并消耗電流。電流在內(nèi)部被限制在保證AD8420安全的值。

基準(zhǔn)電壓緩沖器

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

圖4. 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生

ADC通道1配置：橋式傳感器

AD7793的通道1測(cè)量AD8420的橋式傳感器輸出。外部VREF (1.05 V)用作基準(zhǔn)電壓，因此，AD7793的輸入電壓范圍是±1.05 V，以+1.05 V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(cè)器(RTD)上產(chǎn)生的電壓，該RTD由210 μA激勵(lì)電流驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。

盡管100 ?鉑RTD十分常見，但也可指定其他電阻（200 ?、500 ?、1000 ?等）和材料（鎳、銅、鎳鐵）。本應(yīng)用采用100 Ω DIN 43,760 A類RTD。

圖5. 利用開爾文或4線Pt RTD連接提供高精度

圖5所示的4線（開爾文）連接可消除RTD引腳電阻效應(yīng)。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。

表2. RTD連接的鏈路配置

如果不需要溫度補(bǔ)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：

代碼

AIN × Gain

VREF

其中：

AIN = AIN(+) – AIN(−) = AIN(+) – VREF

Gain為PGA增益設(shè)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6 V，以便為橋式傳感器提供最低5 V驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)校準(zhǔn)

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

測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果

系統(tǒng)噪聲

全部數(shù)據(jù)捕獲操作都通過CN-0355評(píng)估軟件實(shí)現(xiàn)。

為捕獲評(píng)估板噪聲，進(jìn)行了兩次設(shè)置測(cè)量。第一次測(cè)量如圖6所示，在AD8420輸入短路的條件下進(jìn)行，因而測(cè)量的是AD8420和AD7793的峰峰值噪聲。進(jìn)行了1000次采樣，獲得的代碼分布約有100個(gè)代碼，相當(dāng)于12.5 μV的峰峰值噪聲；或者對(duì)于2.1 V的滿量程范圍，相當(dāng)于17.36個(gè)無噪聲位。

圖6. 輸出代碼分布直方圖（100個(gè)代碼，AD8420輸入引腳短路）

第二次測(cè)量是利用Honeywell NSCSANN600MGUNV壓力計(jì)傳感器進(jìn)行，它連接到評(píng)估板。板上安裝的該壓力傳感器未經(jīng)放大和補(bǔ)償，電壓驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為10.1 V。此測(cè)試有效展示了整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲，包括傳感器噪聲，如圖7所示。進(jìn)行了1000次采樣，獲得的代碼分布約有120個(gè)代碼，相當(dāng)于15 μV的峰峰值噪聲；或者對(duì)于2.1 V的滿量程范圍，相當(dāng)于17.1個(gè)無噪聲位。

圖7. 輸出代碼分布直方圖（120個(gè)代碼，連接壓力傳感器）

系統(tǒng)功耗

表3顯示了系統(tǒng)的總功耗，不包括壓力傳感器的功耗。

表3. 25°C時(shí)電路的最大功耗

Honeywell NSCSANN600MGUNV壓力傳感器具有大約3 kΩ的阻抗，會(huì)使表3所示的總功耗增加大約3.36 mA。

用更低的電流（如10 μA）驅(qū)動(dòng)RTD，同時(shí)采用更高的RTD電阻值（如1 kΩ），可進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。

有源元件的誤差分析

系統(tǒng)中的有源元件AD8420和ADA4096-2引起的最大誤差及和方根(RSS)誤差如表4所示。

表4. 滿量程范圍(FSR) = 1.05 V的系統(tǒng)誤差分析

總電路精度

對(duì)電阻容差導(dǎo)致的總誤差的合理近似推算是假設(shè)每個(gè)關(guān)鍵電阻對(duì)總誤差貢獻(xiàn)都相等。兩個(gè)關(guān)鍵電阻是R8和R19、R20、R21中的任一個(gè)。 0.1%的最差情況下電阻容差可造成最大值0.2%的總電阻誤差。若假定RSS誤差，則總RSS誤差為0.1√2 = 0.14%。

電阻誤差與表4給出的元件誤差相加得到以下結(jié)果：

•失調(diào)誤差 = 0.365% + 0.1400% = 0.505%

•增益誤差 = 0.050% + 0.1400% = 0.190%

•滿量程誤差 = 0.415% + 0.1400% = 0.555%

這些誤差使用以下假設(shè)：選用計(jì)算得到的電阻值，容差是僅有的誤差，傳感器的電壓驅(qū)動(dòng)設(shè)置為10.1的增益。

線性度誤差是在−500 mV到+500 mV的輸入范圍測(cè)試，采用圖10所示的設(shè)置。總非線性誤差約為0.45%。非線性主要由AD8420的輸入跨導(dǎo)(gm)級(jí)引起。

總輸出誤差(%FSR)通過將實(shí)測(cè)輸出電壓與理想輸出電壓之差除以輸出電壓的FSR，然后乘以100得出。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8. 橋式傳感器模擬的輸出電壓（帶相關(guān)線性度誤差曲線）與ADC讀數(shù)的關(guān)系

圖9顯示EVAL-CN0355-PMDZ評(píng)估板的實(shí)物照片。該系統(tǒng)的完整文檔位于CN-0355設(shè)計(jì)支持包中。

圖 9. EVAL-CN0355-PMDZ板實(shí)物照片

常見變化

其他合適的ADC有AD7792和AD7785，這兩款器件具有與AD7793相同的特性組合。不過，AD7792為16位ADC，AD7785為20位ADC。

AD8237是一款微功耗、零漂移、真正軌到軌儀表放大器，也可用于本電路配置的低電源電壓版本。

儀表放大器AD8226是另一個(gè)選擇，它能以更高的功耗（約525 μA）實(shí)現(xiàn)更好的線性度。

對(duì)于需要低噪聲和低失調(diào)電壓的低電源電壓范圍應(yīng)用，可以用雙通道AD8606取代ADA4096-2。雙通道AD8606具有極低失調(diào)電壓、低輸入電壓和電流噪聲以及寬信號(hào)帶寬等特性。它采用ADI公司的DigiTrim®調(diào)整專利技術(shù)，無需激光調(diào)整便可達(dá)到出色的精度。

電路評(píng)估與測(cè)試

本電路采用EVAL-CN0355-PMDZ電路板、EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板和SDP-PMD-IB1Z（一款針對(duì)SDP的PMOD轉(zhuǎn)接板）。 SDP和SDP-PMD-IB1Z板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置和電路性能評(píng)估。為了使用SDP-PMD-IB1Z和SDP評(píng)估EVAL-CN0355-PMDZ板，通過一個(gè)間距為100密爾、面積為25平方密爾的標(biāo)準(zhǔn)直角引腳接頭連接器把EVAL-CN0355-PMDZ連接至SDP-PMD-IB1Z。

設(shè)備要求

為評(píng)估和測(cè)試CN-0355電路，需要如下設(shè)備：

•帶USB端口的Windows® XP、Windows® Vista（32位）或Windows® 7（32位）PC

•EVAL-CN0355-PMDZ電路評(píng)估板

•EVAL-SDP-CB1Z電路評(píng)估板

•SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板

•CN0355評(píng)估軟件

•6 V壁式電源適配器或其他電源

•Yokogawa GS200精密電壓源

•Agilent E3631A電壓源

開始使用

將CN-0355評(píng)估軟件光盤放入PC，加載評(píng)估軟件。打開我的電腦，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評(píng)估軟件。

設(shè)置

CN-0355評(píng)估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP (SP2)和Vista（32位和64位）。如果安裝文件未自動(dòng)運(yùn)行，可以運(yùn)行光盤中的setup.exe文件。

請(qǐng)先安裝評(píng)估軟件，再將評(píng)估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識(shí)別評(píng)估系統(tǒng)。

光盤文件安裝完畢后，為SDP-PMD-IB1Z評(píng)估板接通電源。用隨附電纜把SDP板（通過連接器A）連接到SDP-PMD-IB1Z評(píng)估板，然后連接到用于評(píng)估的PC USB端口。

將EVAL-CN0355-PMDZ的12引腳直角公引腳接頭連接至SDP-PMD-IB1Z的12引腳直角母引腳接頭。

運(yùn)行程序之前，將壓力傳感器端子和RTD傳感器連接至EVAL-CN0355-PMDZ的端子插孔中。

在接好并打開所有外設(shè)和電源之后，單擊圖形用戶界面上的Run（運(yùn)行）按鈕。當(dāng)PC成功檢測(cè)到評(píng)估系統(tǒng)時(shí)，即可使用評(píng)估軟件對(duì)EVAL-CN0355-PMDZ電路板進(jìn)行評(píng)估。

功能框圖

測(cè)試設(shè)置的功能框圖如圖10所示。該測(cè)試設(shè)置必須按圖中所示方式連接。

圖10. 測(cè)試設(shè)置功能框圖

用Agilent E3631A和Yokogawa GS200精密電壓源為評(píng)估板供電并模擬傳感器輸出。 Agilent E3631A的通道CH1設(shè)置為24 V以充當(dāng)評(píng)估板的VCC電源，另一個(gè)通道CH2設(shè)置為5 V以產(chǎn)生共模電壓。 CH2與Yokogawa GS200串聯(lián)，如圖7所示。Yokogowa通過1.5 kΩ串聯(lián)電阻連接到評(píng)估板的輸入端子，該電阻模擬電橋阻抗。 Yokogawa在儀表放大器輸入端產(chǎn)生±500 mV（25°C時(shí)）差分輸入電壓，從而模擬傳感器輸出。

用CN-0355評(píng)估軟件捕獲來自EVAL-CN0355-PMDZ評(píng)估板的數(shù)據(jù)，得出圖8所示的線性度誤差，所用設(shè)置如圖10所示。

有關(guān)軟件操作的詳情，請(qǐng)參見CN-0355軟件用戶指南。

了解詳情

CN-0355設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0355-DesignSupport

指南MT-004：ADC輸入噪聲面面觀——噪聲是利還是弊？ADI公司。

指南MT-022：ADC架構(gòu)III：Σ-Δ型ADC基礎(chǔ)，ADI公司。

指南MT-023：ADC架構(gòu)IV：Σ-Δ型ADC高級(jí)概念和應(yīng)用，ADI公司。

指南MT-031：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán)，ADI公司。

指南MT-035：運(yùn)算放大器輸入、輸出、單電源和軌到軌問題，ADI公司。

指南MT-037：運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓

指南MT-038：運(yùn)算放大器輸入偏置電流

指南MT-040：運(yùn)算放大器輸入阻抗