《電子技術(shù)應(yīng)用》
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低成本傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)
摘要: 許多傳感器的輸出與其電源電壓都是成比例的,。這通常是因?yàn)楫a(chǎn)生輸出的感應(yīng)元件是比率器件,。最常見的比率元件是電阻器,其阻值隨被測(cè)量的變化而變化,。電阻式溫度檢測(cè)器(RTD)和應(yīng)變計(jì)都是典型的阻性敏感元件,。
Abstract:
Key words :

中心議題:

  • 傳感器和阻性檢測(cè)元件
  • 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與阻性器件
  • 傳感器的測(cè)量
  • 傳感器及A/D轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)
  • 惠斯通電橋

解決方案:

  • 省去電壓基準(zhǔn)
  • 與電源電壓成比例的傳感器設(shè)計(jì)
  • 惠斯通電橋的線性化


傳感器和阻性檢測(cè)元件

許多傳感器的輸出與其電源電壓都是成比例的。這通常是因?yàn)楫a(chǎn)生輸出的感應(yīng)元件是比率器件,。最常見的比率元件是電阻器,,其阻值隨被測(cè)量的變化而變化。電阻式溫度檢測(cè)器(RTD)和應(yīng)變計(jì)都是典型的阻性敏感元件。

阻性元件的比率性是由于其阻抗不能直接測(cè)量,。其值是由電阻兩端的電壓與經(jīng)過電阻的電流的比值確定的,。

R = V/I       公式1 (歐姆定理)

使用阻性元件的傳感器通常令一個(gè)電流流過電阻并測(cè)量其電壓。在輸出傳感器之前,,可以將該電壓進(jìn)行放大或電平偏移,,但是其大小仍然與流過電阻的電流相關(guān)。如果該電流來自于電源電壓,,那么傳感器的輸出與電源電壓成比例,。公式2描述了這類比例傳感器的輸出(圖1),其中Vs是輸出信號(hào),,Ve是激勵(lì)電壓,,S是傳感器的靈敏度,P是所測(cè)參數(shù)的量值,,C是傳感器的失調(diào)量,。

Vs = Ve (P x S + C)       公式2


圖1. 比例型傳感器

 

 

Honeywell™ MLxxx-C系列壓力傳感器是眾多汽車比例傳感器中具有代表性的器件。當(dāng)在5V標(biāo)稱電源電壓下工作時(shí),,失調(diào)電壓為0.5V,,滿量程輸出為4.5V。如果改變激勵(lì)電壓,,失調(diào)電壓和滿量程輸出會(huì)隨之按比例變化,。

需要知道激勵(lì)電壓才可使用輸出信號(hào),這在許多應(yīng)用中是很不方便的,。為了解決這一問題,,制造商在電路上增加了一個(gè)電壓基準(zhǔn)。這種器件可提供非常精確的電壓,,并與溫度和電源電壓無關(guān),。如果流經(jīng)感應(yīng)電阻的電流來自于基準(zhǔn)電壓,那么公式2中的Ve可用一個(gè)常數(shù)替換,。從而得到公式3,,其中的新常數(shù)包含在S2和C2之中。

Vs = P x S2 + C2       公式3

因?yàn)檩敵鲂盘?hào)僅為被測(cè)參數(shù)的函數(shù),,所以公式3不是比例關(guān)系,。Honeywell公司的MLxxx-R5系列壓力傳感器就是非比例傳感器。當(dāng)在7V和35V之間的任何電源電壓下工作時(shí),,失調(diào)都是1V,,滿量程輸出為6V。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與阻性器件

用于將傳感器信號(hào)數(shù)字化的ADC也是比例器件,。無論其內(nèi)部架構(gòu)如何,,所有ADC都是通過對(duì)未知輸入電壓與已知參考電壓相比較來工作的。轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化輸出是輸入電壓與參考電壓的比值乘以ADC的滿量程讀數(shù)??紤]到內(nèi)部放大和設(shè)計(jì)的多樣性,,還需要一個(gè)比例因子K,。無論K值大小,,只要ADC的配置未改變,K值都保持固定不變,。公式4描述了一個(gè)普遍意義上的ADC (圖2)的數(shù)字讀數(shù)(D)和輸入信號(hào)(Vs),,參考電壓(Vref),滿量程讀數(shù)(FS)以及比例因子(K)間的關(guān)系,。

D = (Vs/Vref)FS x K       公式4


圖2. 普遍意義上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器



參考電壓的來源與ADC的具體設(shè)計(jì)有關(guān),。在一些ADC中參考電壓是電源電壓,而在另一些ADC中參考電壓來自于內(nèi)部基準(zhǔn)源,,在其他設(shè)計(jì)中,,用戶必須將參考電壓連接至ADC的Vref輸入端。如果使用了內(nèi)部或外部電壓基準(zhǔn),,使參考電壓成為一個(gè)衡定值,,則公式4可簡(jiǎn)化為公式5,其中K2是一個(gè)新的常數(shù),,其值為FS x K/Vref,。


D = Vs x K2       公式5

傳感器的測(cè)量

由一個(gè)非比例傳感器和具有固定參考電壓的ADC組成的小系統(tǒng)的輸出可通過將公式3 (傳感器的輸出)中的Vs (ADC的輸入)代入公式5中得到。如公式6所示,。

D = P x S2K2 + C2K2       公式6

公式6給出了所需的確切關(guān)系,。數(shù)字量值(D)大小與P的變化成比例,并且僅受P改變的影響,。D不受溫度和電源電壓變化的影響,。

省去電壓基準(zhǔn)

利用電壓基準(zhǔn)穩(wěn)定傳感器和ADC是一種有效且必要的技術(shù)。然而,,并非總是最好的技術(shù),。

本文的其余部分將討論如何創(chuàng)造性地利用ADC的參考電壓輸入,從而省去許多傳感器電路中的電壓基準(zhǔn)和電流源,。這種設(shè)計(jì)節(jié)省了元件成本,、電路板空間以及電壓“凈空”。由于省去了電壓基準(zhǔn),,非理想基準(zhǔn)相關(guān)的誤差也不復(fù)存在,,因此精度也有所改善。這種技術(shù)已在汽車工業(yè)中應(yīng)用多年,。傳感器和ADC與電源電壓的比例關(guān)系一經(jīng)確定,,便無需精確的電壓基準(zhǔn)。

與之相似的采用電流驅(qū)動(dòng)傳感器和單元件阻性傳感器(如RTD)的技術(shù)已不常用了。這些電路中ADC的靈敏度會(huì)隨溫度或電源電壓的變化而變化,。雖然如此,,ADC和傳感器輸入的組合還是相當(dāng)穩(wěn)定的。

與電源電壓成比例的傳感器

將公式2中的輸入信號(hào)(Vs)代入公式4,,便可得到測(cè)量比例傳感器時(shí)ADC的輸出,。得出公式7,該公式表示:D是P,,Ve和Vref的函數(shù),。

D = P(S x FS x K x Ve/Vref) + C(FS x K x Ve/Vref)       公式7

乍一看,公式7中的方法似乎并不理想,,因?yàn)檩敵?D)是三個(gè)變量的函數(shù),,而并非僅僅是P的函數(shù)。然而,,仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn):Ve/Vref的比值是非常重要的,,單獨(dú)的數(shù)值并無太多意義。如果Ve和Vref電壓來自同一個(gè)電源,,則很容易得到恒定的Ve/Vref比值,。一旦這樣的話,D將與P的變化成比例,,并且只與P的變化有關(guān),。設(shè)Ve/Vref比值為一個(gè)常數(shù),公式7可簡(jiǎn)化為與公式6相似的形式,。因此,,這就說明無需電壓基準(zhǔn)也能實(shí)現(xiàn)相同的性能。

從實(shí)際應(yīng)用的角度來看,,Ve和Vref必須足夠大,,這樣才能避免噪聲干擾; 同時(shí)Ve和Vref還必須處于ADC和傳感器所指定的范圍內(nèi),。用正電源電壓作為Ve和Vref的電壓源通??梢詽M足上述要求,并且允許為大量并聯(lián)的傳感器供電,,如圖3所示,。

圖3中MAX1238的前端有一個(gè)12輸入的多路復(fù)用器,且內(nèi)置一個(gè)電壓基準(zhǔn),。在這種情況下,,雖沒有與ADC基準(zhǔn)有關(guān)的附加成本,但是如要給10個(gè)傳感器中的每個(gè)都增加基準(zhǔn)則會(huì)使成本明顯增加,。 MAX1238還允許AN11輸入作為參考電壓,。將AN11作為參考輸入并將其連接至5V電源,,可設(shè)置ADC的滿量程輸入為5V,并便于與比例型傳感器配合使用,。 在圖3中,,MAX1238的內(nèi)部參考電壓并非閑置??捎密浖刂苾?nèi)部電壓基準(zhǔn)并用于診斷,,如測(cè)量電源電壓??赏ㄟ^連接到輸入AN10的分壓器來實(shí)現(xiàn),。

 


圖3. MAX1238 ADC允許AN11輸入作為參考電壓,,因此,,ADC可與比例傳感器配合使用。

圖3的拓?fù)浞浅_m合汽車應(yīng)用和那些由單電源供電,,供電線路上壓降很小的應(yīng)用,。并不適合那些工作中必須使用長(zhǎng)導(dǎo)線的傳感器或者是ADC和傳感器由不同電源供電的應(yīng)用。

電流驅(qū)動(dòng)的電橋

在低噪聲環(huán)境或者系統(tǒng)中,,若壓力傳感器緊挨ADC放置,,可能沒有必要使用帶信號(hào)放大的傳感器。在這些應(yīng)用中,,低成本橋式輸出傳感器更適合,。為了降低傳感器成本,同時(shí)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供良好的性能,,許多此類壓力傳感器,,如Nova Sensor公司的NPI-19系列[3]都是由電流源供電而不是電壓源供電。(更詳細(xì)的論述請(qǐng)參見附錄1),。公式8給出了這種電流驅(qū)動(dòng)的傳感器的輸出,,其中Ie是激勵(lì)電流。

Vs= Ie (S x P+C)       公式8

圖4給出了一個(gè)常用于橋式輸出傳感器的電流源,。該電流源由一個(gè)低溫度系數(shù)電阻,,一個(gè)運(yùn)算放大器及一個(gè)電壓基準(zhǔn)組成。如果ADC和壓力傳感器整合于一個(gè)部件中,,則電流源的電壓基準(zhǔn)也可為ADC提供參考電壓,。在圖4的電路中,電壓基準(zhǔn)同時(shí)被用來穩(wěn)定傳感器和ADC,,使它們不受變化的溫度和電源電壓的影響,。


圖4. 該設(shè)計(jì)中電流驅(qū)動(dòng)傳感器的電流源由一個(gè)電阻,一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)電壓基準(zhǔn)組成,。

與圖4類似的另一種方法如圖5所示的電路,,無需電流源或電壓基準(zhǔn),。需要注意的是:雖然傳感器和ADC的組合在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都很穩(wěn)定,但是ADC和傳感器都具有很大的溫漂,。如果單獨(dú)測(cè)量,,傳感器的靈敏度將隨溫度的升高而降低,而ADC的靈敏度則升高,。由于在整個(gè)溫度范圍內(nèi)ADC輸出不是穩(wěn)定的,,所以將該方法用于ADC有多路輸入的電路時(shí)必須特別小心。


圖5. 傳感器和ADC組合的另一種設(shè)計(jì)方法,,無需獨(dú)立的電流源或電壓基準(zhǔn),。

從圖5可以得出公式9:

Vref = Ie x R1       公式9

將公式9中的Vref和公式8中的Vs代入上述ADC的公式4 ,得出公式10,。

D = [Ie (S x P+C)/(Ie x R1)](FS x K)       公式10

因?yàn)榉肿雍头帜钢泻屑?lì)電流(Ie),,因此可消去。 由此可得到公式11,,表示輸出與激勵(lì)電流無關(guān),。如果將公式11中的常數(shù)項(xiàng)合并,將再次得出與公式6等效的公式:帶有電壓基準(zhǔn)的系統(tǒng),。

D = P(S x FS x K/R1)+C(FS x K/R1)       公式11

如果R1作為一個(gè)常數(shù),,它必須具有較低的溫度系數(shù)。與圖4相比,,圖5要求R1具有良好的溫度穩(wěn)定性,,這并不是其缺點(diǎn),因?yàn)閳D4中的電阻也必須具有良好的溫度穩(wěn)定性,。

公式11中沒有R2,,而且電路中也不需要R2。但是,,對(duì)R2進(jìn)行分析是為了說明它并不影響ADC讀數(shù),。R2可用另一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的壓力傳感器、RTD或一個(gè)固態(tài)開關(guān)的電阻代替,,而不會(huì)影響ADC讀數(shù),。

理論上,可以采用多通道輸入ADC和數(shù)個(gè)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的電流型傳感器,。然而,,傳感器串聯(lián)會(huì)使得激勵(lì)電流(Ie),傳感器信號(hào)(Vs)以及參考電壓(Vref)更低,。當(dāng)傳感器串聯(lián)時(shí),,需要特別注意對(duì)ADC Vref的要求及系統(tǒng)噪聲。

RTD

RTD是另一種通常與電流源配合使用的傳感器,。RTD的常用材料是鉑,,通常具有約3,800ppm/°C的正溫度系數(shù),。測(cè)量RTD的傳統(tǒng)方法是將其作為電阻橋的一個(gè)端子。然而,,在實(shí)際應(yīng)用中,,很少使用電阻橋。低成本高分辨率ADC的存在在,,使得只需驅(qū)動(dòng)一個(gè)電流流過RTD,,并直接測(cè)量RTD兩端的電壓這種簡(jiǎn)單方案更為經(jīng)濟(jì)。這種方法避免了非平衡橋的非線性問題,,并且省去了組成電阻橋的三個(gè)精密電阻,。

圖6中的電路也無需利用電橋或者穩(wěn)定的電流源來測(cè)量RTD (Rt)。該電路只需要一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電阻(R1)和一個(gè)低等級(jí)的限流電阻即可,。


圖6. 無需電阻橋或穩(wěn)定電流源來測(cè)量Rt的電路


由圖6可以得出下列公式:

Vs = (V+) x Rt/(R1+R2+Rt)       公式12
Vref = (V+) x R1/(R1+R2+Rt)       公式13

將公式12中的Vs和公式13中的Vref代入公式4,,得出圖6中ADC的輸出。經(jīng)過簡(jiǎn)化可得公式14,。公式14表示:如果R1是定值,,D則正比于、且僅隨Rt的變化而變化,,這正是所期望的結(jié)果。

D = FS x K x (Rt/R1)       公式14

由公式14 可以看出,,R2不影響讀數(shù),;R2降低了Rt所消耗的功率。如果沒有R2的話,,Rt的自身熱量將導(dǎo)致溫度示數(shù)出現(xiàn)很大誤差,。R2還降低了ADC的共模輸入電壓。這對(duì)某些共模輸入電壓范圍小于電源電壓的ADC是非常必要的,。

類似于MAX1403的ADC包含用于驅(qū)動(dòng)RTD的電流源,。然而,它們并不是精密電流源,,還需要進(jìn)行一些校準(zhǔn),。校準(zhǔn)通常是采用一個(gè)額外的ADC輸入來測(cè)量由相同的電流源驅(qū)動(dòng)的參考電阻來實(shí)現(xiàn)的。然后,,采用軟件按照已知電阻的測(cè)量值依比例確定未知電阻的測(cè)量值,。雖然這種技術(shù)可以很好地工作,不過,,將R1作為參考電阻更加簡(jiǎn)單并且無需額外的ADC輸入,。板上的電流源仍能用來激勵(lì)RTD和參考電阻。用一個(gè)電流源替換圖6中的R2不會(huì)對(duì)公式14產(chǎn)生影響,。

一些ADC可提供兩個(gè)互相匹配的電流源用于精確測(cè)定遠(yuǎn)程RTD,。在這些應(yīng)用中長(zhǎng)導(dǎo)線的電阻會(huì)增加RTD的阻抗,,從而產(chǎn)生誤差,必須想辦法去除,。成本最低的解決方案是采用三線RTD,。如圖7所示,電流源1可用于產(chǎn)生RTD兩端的壓降,。該電流源還在通向RTD的上部導(dǎo)線上產(chǎn)生額外的壓降,。為了補(bǔ)償這個(gè)多余的壓降,用電流源2在中間的導(dǎo)線上產(chǎn)生一個(gè)壓降,。通過RTD底部的導(dǎo)線使這兩個(gè)電流源流向地,。RTD上三根導(dǎo)線的長(zhǎng)度和材料都相同,這樣可使彼此之間的電阻非常接近,。匹配電阻傳送匹配電流可產(chǎn)生匹配的壓降,。因此,上部的兩根導(dǎo)線壓降彼此抵消,,ADC上的差分輸入電壓與RTD兩端的電壓相同,。


圖7. MAX1403 ADC有兩個(gè)匹配的電流源,在該電路中,,電流源1用于產(chǎn)生RTD兩端的壓降,,電流源2用于產(chǎn)生中間導(dǎo)線的壓降。

溫度和壓力

圖8結(jié)合了圖5和圖6中的設(shè)計(jì)理念,,采用一個(gè)很簡(jiǎn)單的電路,,以單個(gè)電阻作為基準(zhǔn)同時(shí)測(cè)量溫度和壓力。Vs1和Vs2的幅值相差很大,。這個(gè)差值可通過改變ADC (例如MAX1415)內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)的增益進(jìn)行調(diào)節(jié),。這些轉(zhuǎn)換器允許PGA對(duì)每個(gè)通道都設(shè)置不同的增益。增益的改變可使公式4中的K值改變,,因此,,允許單個(gè)參考電壓能夠適應(yīng)較寬范圍的輸入電壓。


圖8. 用單個(gè)電阻作為基準(zhǔn)的簡(jiǎn)單電路測(cè)量溫度和壓力


惠斯通電橋

惠斯通電橋是由Charles Wheatstone爵士(1802至1875)在電子學(xué)發(fā)展的早期階段發(fā)明的,?;菟雇姌蛲ㄟ^對(duì)三個(gè)已知電阻值和一個(gè)未知電阻值進(jìn)行比較來測(cè)量電阻。當(dāng)電橋恰好達(dá)到平衡時(shí),,電阻測(cè)量值與激勵(lì)電壓,、儀表精度或電路中的儀表負(fù)載無關(guān)。在尚不具備電壓標(biāo)準(zhǔn)和高品質(zhì)儀表的時(shí)代,,這個(gè)條件是非常重要的,。然而,橋式電路在當(dāng)前仍很流行,,因?yàn)樵谒须姌螂娮杈哂邢嗤臏囟认禂?shù)時(shí),,它們不會(huì)產(chǎn)生大的失調(diào)并能抑制溫度效應(yīng),。

圖9是一個(gè)由同一電壓源供電的兩個(gè)分壓器組成的惠斯通電橋。習(xí)慣將電橋畫成菱形,,因?yàn)檫@種形狀強(qiáng)調(diào)了同一電壓源為每個(gè)分壓器供電的重要性,。電橋的輸出(Vo)是兩個(gè)分壓器輸出電壓之差(公式15)。當(dāng)Vo為零時(shí),,稱電橋達(dá)到平衡,。在這種條件下,因?yàn)閂e與一個(gè)為零項(xiàng)相乘,,所以激勵(lì)電壓(Ve)的精確值并不重要,。公式16可計(jì)算出平衡電橋中未知電阻(Ru)的阻值。在實(shí)際應(yīng)用中,,通常使Ra = Rb,,這樣公式16可簡(jiǎn)化為Ru = Rc。


圖9. 由同一個(gè)電壓源供電的分壓器組成的惠斯通電橋示意圖

Vo = Vb(Rc/(Rc+Ru) - Rb/(Ra+Rb))       公式15
若Vo = 0,,則Ru = Rc x Ra/Rb       公式16

目前已經(jīng)很少使用平衡電橋電路測(cè)量電阻,,但是在傳感器中采用非平衡電橋相當(dāng)常見。在工廠校準(zhǔn)時(shí),,電橋通常被平衡在一個(gè)優(yōu)選的工作點(diǎn)上,;通過測(cè)量電橋中的不平衡來測(cè)量與該點(diǎn)的偏差。下面舉例說明以該方式使用電橋的優(yōu)點(diǎn),。

假定將一個(gè)硅應(yīng)力計(jì)與薄膜相粘合,,構(gòu)成一個(gè)壓力傳感器,并具有所期望的壓力分辨率(0.1%),。在0psi和25°C條件下,電阻的阻值為5000Ω,。在100psi (滿量程壓力)和25°C的條件下,,電阻值增加2%,達(dá)到5100Ω,。除了對(duì)應(yīng)力敏感,,電阻對(duì)溫度也敏感,具有2000ppm/°C的電阻溫度系數(shù)(TCR),。

由于在整個(gè)壓力范圍內(nèi)電阻變化了100Ω,,因此必須能夠分辨0.1—#937;的電阻才能獲得0.1psi (0.1%)的壓力分辨率,。測(cè)量5000Ω中的0.1Ω相當(dāng)于50,000分之一或15.6位的分辨率,。比分辨率更嚴(yán)重的問題是溫度變化的影響。由于電阻具有較高的TCR,,溫度每變化1°C,,相當(dāng)于壓力變化10psi對(duì)電阻的影響,。每攝氏度的溫度變化對(duì)電阻的影響相當(dāng)于滿量程的10%。

現(xiàn)在考慮電橋電路中采用相同的電阻,,激勵(lì)電壓為2V時(shí)的情況,。其他三個(gè)電阻都是5000Ω,并和感應(yīng)電阻具有相同的TCR,。這些電阻的安裝條件能夠保證其等溫,。這種方式具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。

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(cè)量0.1psi的壓力,則需要從10mV中分辨10µV,。相對(duì)于直接測(cè)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(cè)量10µV的信號(hào),。信號(hào)必須放大。信號(hào)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(duì)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(duì)于許多壓阻式壓力傳感器非常典型。

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(jiǎn)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(hào),,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(hào)(Vs)。公式18是ADC的參考電壓,。兩信號(hào)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(jiǎn)單的溫度傳感器中,,電橋電路除去0°時(shí)的多余信號(hào),,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(duì)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(cè)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(hào),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(jiǎn)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,。

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