電阻電橋基礎(chǔ)知識介紹

概述

　　本文第一部分，應(yīng)用筆記3426主要論述了為什么要使用電阻電橋，電橋的基本配置，以及一些具有小信號輸出的電橋，例如粘貼絲式或金屬箔應(yīng)變計(jì)。本篇應(yīng)用筆記則側(cè)重于高輸出的硅應(yīng)變計(jì)。本篇應(yīng)用筆記作為第二部分，重點(diǎn)介紹高輸出的硅應(yīng)變計(jì)，以及它與高分辨率Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器良好的適配性。舉例說明了如何為給定的非補(bǔ)償傳感器計(jì)算所需ADC的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。本文演示了在構(gòu)建一個(gè)簡單的比例電路時(shí)，如何確定ADC和硅應(yīng)變計(jì)的特性，并給出了一個(gè)采用電流驅(qū)動(dòng)傳感器的簡化應(yīng)用電路。

　　硅應(yīng)變計(jì)的背景知識

　　硅應(yīng)變計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于高靈敏度。硅材料中的應(yīng)力引起體電阻的變化。相比那些僅靠電阻的尺寸變化引起電阻變化的金屬箔或粘貼絲式應(yīng)變計(jì)，其輸出通常要大一個(gè)數(shù)量級。這種硅應(yīng)變計(jì)的輸出信號大，可以與較廉價(jià)的電子器件配套使用。但是，這些小而脆的器件的安裝和連線非常困難，并增加了成本，因而限制了它們在粘貼式應(yīng)變計(jì)應(yīng)用中的使用。然而，硅應(yīng)變計(jì)卻是MEMS (微機(jī)電結(jié)構(gòu))應(yīng)用的最佳選擇。利用MEMS，可將機(jī)械結(jié)構(gòu)建立在硅片上，多個(gè)應(yīng)變計(jì)可以作為機(jī)械構(gòu)造的一部分一起制造。因此，MEMS工藝為整個(gè)設(shè)計(jì)問題提供了一個(gè)強(qiáng)大的、低成本的解決方案，而不需要單獨(dú)處理每個(gè)應(yīng)變計(jì)。

　　MEMS器件最常見的一個(gè)實(shí)例是硅壓力傳感器，它是從上個(gè)世紀(jì)七十年代開始流行的。這些壓力傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝和特殊的蝕刻技術(shù)制作而成。采用這種特殊的蝕刻技術(shù)，從晶圓片的背面選擇性地除去一部分硅，從而生成由堅(jiān)固的硅邊框包圍的、數(shù)以百計(jì)的方形薄片。而在晶片的正面，每一個(gè)小薄片的每個(gè)邊上都制作了一個(gè)壓敏電阻。用金屬線把每個(gè)小薄片周邊的四個(gè)電阻連接起來就形成一個(gè)全橋工作的惠斯登電橋。然后使用鉆鋸從晶片上鋸下各個(gè)傳感器。這時(shí)，傳感器功能就完全具備了，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。但也存在缺點(diǎn)。這些傳感器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(shí)例

　　在此用一個(gè)壓力傳感器來舉例說明。但所涉及的原理適用于任何使用相似類型的電橋作為傳感器的系統(tǒng)。式1給出了一個(gè)原始的壓力傳感器的輸出模型。式1中變量的幅值及其范圍使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。要提供一個(gè)一致的、有意義的輸出，每個(gè)傳感器都必須進(jìn)行校正，以補(bǔ)償器件之間的差異和溫度漂移。長期以來都是使用模擬電路進(jìn)行校準(zhǔn)的。然而，現(xiàn)代電子學(xué)使得數(shù)字校準(zhǔn)比模擬校準(zhǔn)更具成本效益，而且數(shù)字校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性也更好。利用一些模擬“竅門”，可以在不犧牲精度的前提下簡化數(shù)字校準(zhǔn)。

　　式1: VOUT = VB x (P x S0 x (1 + S1 x (T - T0)) + U0 + U1 x (T - T0))

　　式中，VOUT為電橋輸出，VB是電橋的激勵(lì)電壓，P是所加的壓力，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 是在無壓力時(shí)電橋在溫度T0輸出的偏移量(或失衡)，而U1則是偏移量的溫度系數(shù)(OTC)。式1使用一次多項(xiàng)式來對傳感器進(jìn)行建模。有些應(yīng)用場合可能會(huì)用到高次多項(xiàng)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(gè)查尋表。無論使用哪種模型，數(shù)字校準(zhǔn)時(shí)都要對VOUT、VB、和T進(jìn)行數(shù)字化，同時(shí)要采用某種方式來確定全部系數(shù)，并進(jìn)行必要的計(jì)算。式2由式1整理并解出P。從式2可以更清楚地看到，為了得到精確的壓力值，數(shù)字計(jì)算(通常由微控制器(μC)執(zhí)行)所需的信息。

　　式2： P = (VOUT / VB - U0 - U1 x (T-T0)) / (S0 x (1 + S1 x (T-T0))

　　電壓驅(qū)動(dòng)

　　圖1電路中的電壓驅(qū)動(dòng)方式使用一個(gè)高精度ADC來對VOUT (AIN1/AIN2)、溫度(AIN3/AIN4)和VB (AIN5/AIN6)進(jìn)行數(shù)字化。這些測量值隨后被傳送到μC，在那里計(jì)算實(shí)際的壓力。電橋直接由電源驅(qū)動(dòng)，這個(gè)電源同時(shí)也為ADC、電壓基準(zhǔn)和μC供電。電路圖中標(biāo)有Rt的電阻式溫度檢測器用來測量溫度。通過ADC內(nèi)的輸入復(fù)用器同時(shí)測量電橋、RTD和電源電壓。為確定校準(zhǔn)系數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)(或至少是 RTD和電橋)被放到溫箱里，向電橋施加校準(zhǔn)過的壓力，并在多個(gè)不同溫度下進(jìn)行測量。測量數(shù)據(jù)通過測試系統(tǒng)進(jìn)行處理，以確定校準(zhǔn)系數(shù)。最終的系數(shù)被下載到 μC并存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中。

　　圖1. 該電路直接測量計(jì)算實(shí)際壓力所需的變量(激勵(lì)電壓、溫度和電橋輸出)
設(shè)計(jì)該電路時(shí)主要應(yīng)考慮的是動(dòng)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)。為了舉例說明，使用下列參數(shù)：
系統(tǒng)規(guī)格

滿量程壓力：100psi
壓力分辨率：0.05psi
溫度范圍：-40