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

        硅應(yīng)變計

        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(jìn)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(jìn)行的,。然 而，現(xiàn)代電子學(xué)的進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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

        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(jìn)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(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