基于惠斯頓電橋的壓力傳感器

許多壓力傳感器使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，它們由4個(gè)采用惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)連接的壓敏電阻組成。當(dāng)這些傳感器上沒有壓力時(shí)，橋中的所有電阻值都是相等的。當(dāng)有外力施加于電橋時(shí)，兩個(gè)相向電阻的阻值將增加，而另兩個(gè)電阻的阻值將減小，而且增加和減小的阻值彼此相等。

遺憾的是，事情并非如此簡單，因?yàn)閭鞲衅鞔嬖谄坪驮鲆嬲`差。偏移誤差是指沒有壓力施加于傳感器時(shí)存在輸出；增益誤差指傳感器輸出相對于施加于傳感器外力的敏感程度。典型傳感器一般規(guī)定激勵(lì)電壓為5V，具有20mV/V的標(biāo)稱滿刻度輸出。這意味著在激勵(lì)電壓為5V時(shí)，標(biāo)稱滿刻度輸出為：20 mV/V × 5 V = 100 mV.

偏移電壓可能是2mV，或滿刻度的2%；最小和最大滿刻度輸出電壓可能是50mV和150mV，或標(biāo)稱滿刻度的±50%。

假設(shè)兩個(gè)電阻串聯(lián)形成電阻串，由于是等值電阻，因此兩電阻間的節(jié)點(diǎn)電壓是電阻串電壓的一半。如果一個(gè)電阻值增加1%，另一個(gè)電阻減小1%，那么兩個(gè)電阻節(jié)點(diǎn)處的電壓將改變1%。如果將兩個(gè)電阻串進(jìn)行并聯(lián)，如圖1所示，左邊下方的電阻和右邊上方的電阻阻值均減小1%，另外兩個(gè)電阻增加1%，那么兩個(gè)“中”點(diǎn)間的電壓將從零差值變?yōu)楦淖?%。兩個(gè)并行分支的這種配置就被稱為惠斯頓橋。

 
圖1：受激勵(lì)電壓VEX和差分輸出電壓V驅(qū)動的惠斯頓橋

如果不了解偏移以及傳感器輸出電壓和壓力之間的真實(shí)關(guān)系，我們就只能粗略估計(jì)施加于傳感器上的壓力大小。這意味著需要采樣校準(zhǔn)的方法來獲得更好的精度。

幸運(yùn)的是，給定傳感器的偏移和滿刻度誤差隨時(shí)間變化相當(dāng)穩(wěn)定，因此一旦傳感器得到校準(zhǔn)，在該傳感器生命期內(nèi)可能無需改變校準(zhǔn)系數(shù)就能滿足精度要求。當(dāng)然，在每次上電時(shí)通常需要再次校準(zhǔn)系統(tǒng)。

基本信號調(diào)節(jié)電路由一個(gè)儀表放大器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。儀表放大器將來自傳感器的小輸出電壓放大到適合ADC的電平，然后由ADC將放大后的傳感器輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字式，再交給控制器或DSP處理(圖2)。儀表放大器可以用來避免橋過載，而這種過載會改變傳感器輸出電壓值。

 
圖2：基本壓力傳感器調(diào)節(jié)電路

傳感器的滿刻度輸出即最大輸入，能夠在放大器輸入端看到。當(dāng)傳感器輸出處于滿刻度時(shí)，ADC輸入應(yīng)該接近其滿刻度值，這個(gè)值通常就是ADC的參考電壓VREF。放大器要求的增益大小為：

 

其中VREF代表ADC的參考電壓，“Sensor FS”是傳感器的滿刻度輸出值。假設(shè)電阻完美匹配，那么儀表放大器的增益等于：

 

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需要解決的挑戰(zhàn)

如前所述，關(guān)于傳感器有兩大挑戰(zhàn)需要解決：首先是傳感器具有輸出偏移，這個(gè)偏移可以在圖2中的VOFF點(diǎn)加合適的電壓進(jìn)行調(diào)整，或者在傳感器輸出被數(shù)字化后用軟件消除。如果用軟件處理，那么VOFF就變成0伏。

用軟件消除偏移的問題在于，限制了可測量的傳感器范圍。如果偏移是正的，將限制可以測量的最大傳感器輸出，因?yàn)榉糯蟮膫鞲衅鬏敵隹赡鼙绕谕母邕_(dá)到ADC滿刻度值。如果偏移是負(fù)的，將無法精確測量很小的傳感器輸出電平，因?yàn)樵诔^放大的偏移值之前，ADC輸出代碼不會高過零值。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是可能針對傳感器滿刻度輸出的輸出電壓值范圍。例如，標(biāo)稱滿刻度輸出電壓為100mV的傳感器可能有這樣一個(gè)指標(biāo)，它表明了這種滿刻度輸出低至50mV和高至150mV的可能性。

如果滿刻度傳感器輸出低于標(biāo)稱值，ADC的滿刻度范圍就不會使用。如果滿刻度傳感器輸出超過標(biāo)稱值，ADC輸出將在傳感器輸出達(dá)到其滿刻度之前先達(dá)到ADC滿刻度輸出值。此外，如果傳感器輸出或放大器本身有漂移，那么在讀數(shù)時(shí)將存在某種不確定性和不精確性。

幸運(yùn)的是，目前的傳感器即使有時(shí)間漂移也非常小，仔細(xì)選擇放大器可以使放大器漂移最小。因此，在制造期間和/或系統(tǒng)上電時(shí)，電路增益可以一次調(diào)整到位。

達(dá)到這個(gè)目的的方法之一是使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)調(diào)整ADC參考電壓VREF，以補(bǔ)償傳感器的滿刻度誤差，使用另一個(gè)DAC調(diào)整圖2中的VOFF以補(bǔ)償偏移誤差。雙通道DAC，如國半的DAXxx2S085（其中“xx”可以是08、10或12，代表DAC分辨率），將是這種應(yīng)用的理想之選。另外一種方法，是在傳感器輸出被數(shù)字化后，用軟件校準(zhǔn)這些誤差。

解決這兩個(gè)挑戰(zhàn)的最佳方案，是在制造過程和系統(tǒng)啟動時(shí)的軟件校準(zhǔn)過程中，調(diào)整偏移和增益誤差。這種方法允許用軟件實(shí)現(xiàn)最小誤差校準(zhǔn)，并保持ADC的最大可用動態(tài)范圍。

第三個(gè)問題是，單端ADC通常要求其輸入可以被驅(qū)動到非常接近零伏，以產(chǎn)生零輸出代碼。問題產(chǎn)生的原因是，用于驅(qū)動ADC輸入的放大器不能產(chǎn)生低于50mV左右的輸出。即使所所用的放大器具有軌到軌輸出能力，這種現(xiàn)象也很常見。

雖然對某些應(yīng)用來說，電路無法提供最小的ADC零輸出代碼沒什么關(guān)系，但對其它應(yīng)用來說這卻是個(gè)問題。對于后者，解決方案包括：

給驅(qū)動單端輸入ADC的放大器提供負(fù)電源。

使用既帶正參考電壓又帶負(fù)參考電壓的單端ADC，這些參考電壓可以設(shè)為比器件地高的值，并相應(yīng)抵消ADC輸入電壓。

將ADC的地偏置到約100mV。

偏移ADC輸入，丟棄ADC輸出端的一些代碼，用軟件進(jìn)行調(diào)整

使用差分輸入ADC。

驅(qū)動ADC的放大器使用負(fù)電源有個(gè)缺點(diǎn)，即系統(tǒng)中可能沒有負(fù)電源，而單為這個(gè)放大器提供一個(gè)負(fù)電源又似乎不太可行。對此，國半公司的開關(guān)電容電壓反向器LM2787提供了一種簡單的解決方案。

所有ADC都有一個(gè)正參考電壓和一個(gè)負(fù)參考電壓。這兩個(gè)參考電壓之間的差值就是所謂的ADC“參考電壓”。負(fù)參考和正參考電壓分別定義了輸入最小和最大電壓。遺憾的是，目前許多ADC內(nèi)部將負(fù)參考電壓定義為器件地，這是為了將ADC集成在具有更少外部引腳的更小封裝中而作出的犧牲。

提高ADC的地電平通常不是件容易的事。將它偏置得太高可能會出現(xiàn)輸出接口問題，因?yàn)槠骷倪壿嫷碗娖綄⒈鹊仄弥蹈叱鲆恍?。然而，這樣做與將ADC負(fù)參考電壓定義為低值(也許70mV至100mV)具有相同的效果。

增加ADC偏移對ADC滿刻度輸入值作合適調(diào)整是一種可行的方法，但會降低ADC使用的動態(tài)范圍。相當(dāng)于提供圖2所示的正VOFF，減少放大器增益，以便ADC輸入不超過ADC參考電壓，并對ADC輸出代碼進(jìn)行軟件調(diào)整。

結(jié)語

使用差分輸入ADC是一種最好的方法，它能獲得ADC零輸出代碼，在ADC輸入端的整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)保持良好的電路線性，并且無需在系統(tǒng)中使用負(fù)電壓。在這種方法中，差分放大器的輸出反饋到ADC的差分輸入端，無需差分到單端放大器電路。因此這是一種既簡單又不失高效的完美解決方案。