如何實現(xiàn)大信號輸出的硅應(yīng)變計與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的接口
電橋是精密測量電阻或其他模擬量的一種有效的方法。本文介紹了如何實現(xiàn)具有較大信號輸出的硅應(yīng)變計與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的接口,特別是Σ-Δ ADC,當(dāng)使用硅應(yīng)變計時,它是一種實現(xiàn)壓力變送器的低成本方案
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201809/388833.htm硅應(yīng)變計的優(yōu)點在于高靈敏度,它通過感應(yīng)由應(yīng)力引發(fā)的硅材料體電阻變化來檢測壓力。相比于金屬箔或粘貼絲式應(yīng)變計,其輸出通常要大一個數(shù)量級。這種 硅應(yīng)變計的輸出信號較大,可以與較廉價的電子器件配套使用。但是,這些小而脆器件的安裝和連線非常困難,因而增加了成本,限制了它們在粘貼式應(yīng)變計應(yīng)用中 的使用。
不過,用MEMS工藝制作的硅壓力傳感器卻克服了這些弊病。這種MEMS壓力傳感器采用了標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝和特殊的蝕刻技術(shù)。這種特殊的蝕刻技術(shù)可 選擇性地從晶圓的背面除去一部分硅,從而生成由堅固的硅邊框包圍的、數(shù)以百計的方形薄膜。而在晶圓的正面,每一個小薄膜的每個邊上都植入了一個壓敏電阻, 用金屬線把小薄片周邊的四個電阻連接起來就形成一個惠斯登電橋。最后,使用鉆石鋸從晶圓上鋸下各個傳感器。這時,硅傳感器已經(jīng)初具形態(tài),但還需要配備壓力 端口和連接引線方可使用。這些小傳感器便宜而且相對可靠,但受溫度變化影響較大,而且初始偏移和靈敏度的偏差很大。
壓力傳感器實例
在此給出一個壓力傳感器的實例,其所涉及的原理適用于任何使用類似電橋的傳感器。公式1給出了一個原始的壓力傳感器的輸出模型。其中,VOUT在給定壓力P下具有很寬的變化范圍,不同傳感器在同一溫度下,或者同一傳感器在不同溫度下,其VOUT都 有所不同。因此要提供一個一致的、有意義的輸出,每個傳感器都必須進行校正,以補償器件之間的差異和溫度漂移。長期以來,校準(zhǔn)都是通過模擬電路進行的。然 而,現(xiàn)代電子學(xué)的進展使得數(shù)字校準(zhǔn)比模擬校準(zhǔn)更具成本效益,而且其準(zhǔn)確性也更好。此外,利用一些模擬技術(shù)“竅門”,可以在不犧牲精度的前提下簡化數(shù)字校 準(zhǔn)。
VOUT=VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0)) (1)
式中,VOUT為電橋輸出,VB是電橋的激勵電壓,P是外加壓力,T0是參考溫度,S0是T0溫度下的靈敏度,S1是靈敏度的溫度系數(shù)(TCS),U0是在無壓力情況下電橋在溫度T0時的輸出偏移量(或失衡),而U1則是偏移量的溫度系數(shù)(OTC)。公式(1)使用一次多項公式來對傳感器進行建模,而有些應(yīng)用場合可能會用到高次多項公式、分段線性技術(shù)或者分段二次逼近模型,并為其中的系數(shù)建立一個查尋表。無論使用哪種模型,數(shù)字校準(zhǔn)時都要對VOUT、VB和T進行數(shù)字化,同時要采用某種方公式來確定全部系數(shù)并進行必要的計算。公式(2)由公式(1)變化所得,從中可清楚地看到,通過數(shù)字計算(通常由微控制器(MCU)執(zhí)行)而輸出精確壓力值所需的信息。
P=(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0)) (2)
電壓驅(qū)動
圖1 該電路直接測量計算實際壓力所需的變量(激勵電壓、溫度和電橋輸出)
在圖1所示的電路中,一個高精度ADC先對VOUT (AIN1/AIN2)、溫度(AIN3/AIN4)和VB (AIN5/AIN6)進行數(shù)字化,這些測量值隨后被傳送到MCU,在那里轉(zhuǎn)換成實際的壓力。電橋直接由電源驅(qū)動,電源同時也為ADC、電壓基準(zhǔn)源和 MCU供電。電阻公式溫度檢測器Rt用來測量溫度,ADC內(nèi)的輸入復(fù)用器同時測量電橋、RTD和電源電壓。為確定校準(zhǔn)系數(shù),整個系統(tǒng)(或至少是RTD和電 橋)被放到恒溫箱里,在多個不同溫度下進行測量。測量數(shù)據(jù)通過測試系統(tǒng)進行處理,以確定校準(zhǔn)系數(shù),最終的系數(shù)被下載到MCU并存儲到非易失性存儲器中。
設(shè)計該電路時主要考慮的是動態(tài)范圍和ADC的分辨率,最低要求取決于具體應(yīng)用和所選的傳感器和RTD的參數(shù)。 在本例中,傳感器的具體參數(shù)如下。
系統(tǒng)規(guī)格
· 滿量程壓力:100psi
· 壓力分辨率:0.05psi
· 溫度范圍:-40~+85℃
· 電源電壓:4.75~5.25V
壓力傳感器規(guī)格
· S0 (靈敏度): 150~300μV/V/psi
· S1(靈敏度的溫度系數(shù)): 最大為-2500×10-6/℃
· U0 (偏移): -3~+3mV/V
· U1 (偏移的溫度系數(shù)): -15~+15μV/V/℃
· RB (輸入電阻): 4.5kΩ
· TCR (電阻溫度系數(shù)): 1200×10-6/℃
· RTD: PT100
o α: 3850×10-6/℃
o -40℃時的阻值: 84.27Ω
o 0℃時阻值: 100Ω
o 85℃時阻值: 132.80Ω
電壓分辨率
ADC能夠接受的最小電壓分辨率可根據(jù)傳感器能夠檢測到的最小壓力變化所對應(yīng)的VOUT得到。極端情況為使用最低靈敏度的傳感器,在最高溫度和最低供電電壓下進行測量。注意,公式(1)中的偏移項不影響分辨率,因為分辨率僅與壓力響應(yīng)有關(guān)。使用公式(1)以及上述假設(shè)可得:
VOUTmin=4.75V×(0.05psi/count×150μV/V/psi×(1+(-2500×10-6/℃)×(85℃-25℃))
≈30.3μV/count
所以,最低ADC電壓分辨率為30μV/ count。
ADC的輸入范圍
ADC的輸入范圍取決于最大輸入電壓和最小電壓。根據(jù)公式1,產(chǎn)生最大VOUT的條件:最大壓力100psi、最低溫度- 40℃、最大電源電壓5.25V和3mV/V的偏移、-15μV/V/℃的偏移溫度系數(shù)、-2500×10-6/℃的TCS以及 300μV/V/psi的最高靈敏度。最小信號一般都在無壓力(P=0),電源電壓為5.25V、-3mV/V的偏移、-40℃的溫度以及OTC等于+ 15μV/V/℃的情況下出現(xiàn)。
再次使用公式(1)以及上述假設(shè)可得:
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行電平移動和放大,要么選用更高分辨率的ADC。幸運 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。這些Σ-ΔADC提供了更為經(jīng)濟的方案,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,因為這是將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,盡管三個最高位其實并沒有使用。因為除了廉價外,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行補償,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,這樣將會有更大 的靈活性和較寬松的設(shè)計要求。對于硅壓力傳感器,有三個基本的設(shè)計要求: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算得到R1。R1的值可通過公式(3)進行計算,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算方法。(注意:本例計算的是最小電壓分辨率,是一種較為保守的設(shè)計。你也可以使用實際的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,有以下幾個選擇:使用一個更高分辨率的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行補償。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載。
結(jié)論
硅壓阻公式應(yīng)變計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。
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