《電子技術(shù)應(yīng)用》
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如何實(shí)現(xiàn)大信號(hào)輸出的硅應(yīng)變計(jì)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的接口
摘要: 硅壓阻公式應(yīng)變計(jì)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(lái)的成本和誤差,。另外,,這種應(yīng)變計(jì)的熱特性和ADC的比例特性可被用來(lái)顯著降低高精度電路的復(fù)雜程度,。
Abstract:
Key words :

     電橋是精密測(cè)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(shí)現(xiàn)具有較大信號(hào)輸出的硅應(yīng)變計(jì)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(jì)時(shí),,它是一種實(shí)現(xiàn)壓力變送器的低成本方案

  硅應(yīng)變計(jì)

  硅應(yīng)變計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于高靈敏度,,它通過(guò)感應(yīng)由應(yīng)力引發(fā)的硅材料體電阻變化來(lái)檢測(cè)壓力。相比于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(jí),。這種 硅應(yīng)變計(jì)的輸出信號(hào)較大,,可以與較廉價(jià)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?cè)谡迟N式應(yīng)變計(jì)應(yīng)用中 的使用,。

  不過(guò),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(jiān)固的硅邊框包圍的,、數(shù)以百計(jì)的方形薄膜,。而在晶圓的正面,,每一個(gè)小薄膜的每個(gè)邊上都植入了一個(gè)壓敏電阻, 用金屬線把小薄片周邊的四個(gè)電阻連接起來(lái)就形成一個(gè)惠斯登電橋,。最后,使用鉆石鋸從晶圓上鋸下各個(gè)傳感器,。這時(shí),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(duì)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(shí)例

  在此給出一個(gè)壓力傳感器的實(shí)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(gè)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(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(zhǎng)期以來(lái),,校準(zhǔn)都是通過(guò)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(jiǎn)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(lì)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(wú)壓力情況下電橋在溫度T0時(shí)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(xiàng)公式來(lái)對(duì)傳感器進(jìn)行建模,,而有些應(yīng)用場(chǎng)合可能會(huì)用到高次多項(xiàng)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(gè)查尋表。無(wú)論使用哪種模型,,數(shù)字校準(zhǔn)時(shí)都要對(duì)VOUT,、VB和T進(jìn)行數(shù)字化,,同時(shí)要采用某種方公式來(lái)確定全部系數(shù)并進(jìn)行必要的計(jì)算。公式(2)由公式(1)變化所得,,從中可清楚地看到,,通過(guò)數(shù)字計(jì)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(dòng)

圖1 該電路直接測(cè)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)

  在圖1所示的電路中,,一個(gè)高精度ADC先對(duì)VOUT (AIN1/AIN2)、溫度(AIN3/AIN4)和VB (AIN5/AIN6)進(jìn)行數(shù)字化,,這些測(cè)量值隨后被傳送到MCU,,在那里轉(zhuǎn)換成實(shí)際的壓力。電橋直接由電源驅(qū)動(dòng),,電源同時(shí)也為ADC、電壓基準(zhǔn)源和 MCU供電,。電阻公式溫度檢測(cè)器Rt用來(lái)測(cè)量溫度,,ADC內(nèi)的輸入復(fù)用器同時(shí)測(cè)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)被放到恒溫箱里,,在多個(gè)不同溫度下進(jìn)行測(cè)量,。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)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(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中,。

  設(shè)計(jì)該電路時(shí)主要考慮的是動(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),。 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(shí)的阻值: 84.27Ω

  o 0℃時(shí)阻值: 100Ω

  o 85℃時(shí)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(cè)到的最小壓力變化所對(duì)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(jìn)行測(cè)量,。注意,公式(1)中的偏移項(xiàng)不影響分辨率,,因?yàn)榉直媛蕛H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(hào)一般都在無(wú)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(dòng)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(gè)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)和放大,要么選用更高分辨率的ADC,。幸運(yùn) 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(shí),。這些Σ-ΔADC提供了更為經(jīng)濟(jì)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(duì)于壓力傳感器分辨率的要求,,這種ADC的 動(dòng)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(fèi),,因?yàn)檫@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(hào)位)的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器更為現(xiàn) 實(shí),,盡管三個(gè)最高位其實(shí)并沒(méi)有使用。因?yàn)槌肆畠r(jià)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(lái)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(guò)要選用無(wú)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(cè)量

  如果測(cè)量溫度僅僅是為了對(duì)壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償,,那么溫度測(cè)量不要求十分準(zhǔn)確,,只要測(cè)量結(jié)果與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有足夠的可重復(fù)性即可,這樣將會(huì)有更大 的靈活性和較寬松的設(shè)計(jì)要求,。對(duì)于硅壓力傳感器,有三個(gè)基本的設(shè)計(jì)要求:避免自加熱,,具有足夠的溫度分辨率,,保證在ADC的測(cè)量范圍之內(nèi)。

  使最大Vt電壓接近于最大壓力信號(hào)有利于采用相同的ADC和內(nèi)部增益來(lái)測(cè)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(hào)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(wèn)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(jì)算得到R1,。R1的值可通過(guò)公式(3)進(jìn)行計(jì)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(jì)算方法。(注意:本例計(jì)算的是最小電壓分辨率,,是一種較為保守的設(shè)計(jì),。你也可以使用實(shí)際的ADC無(wú)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(cè)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(gè)選擇:使用一個(gè)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(duì)供電電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)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(fù)載,。

  結(jié)論

  硅壓阻公式應(yīng)變計(jì)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(lái)的成本和誤差,。另外,這種應(yīng)變計(jì)的熱特性和ADC的比例特性可被用來(lái)顯著降低高精度電路的復(fù)雜程度,。

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