電橋測量基礎

2020-11-23 電子產品世界

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具有較大信號輸出的矽應變計與模數轉換器(ADC)的接口，特別是Σ-Δ ADC，當使用矽應變計時，它是一種實現壓力變送器的低成本方案

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/193826.htm

矽應變計

矽應變計的優點在於高靈敏度，它通過感應由應力引發的矽材料體電阻變化來檢測壓力。相比於金屬箔或粘貼絲式應變計，其輸出通常要大一個數量級。這種 矽應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變計應用中 的使用。

不過，用MEMS工藝製作的矽壓力傳感器卻克服了這些弊病。這種MEMS壓力傳感器採用了標準的半導體工藝和特殊的蝕刻技術。這種特殊的蝕刻技術可 選擇性地從晶圓的背面除去一部分矽，從而生成由堅固的矽邊框包圍的、數以百計的方形薄膜。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。最後，使用鑽石鋸從晶圓上鋸下各個傳感器。這時，矽傳感器已經初具形態，但還需要配備壓力 埠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於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下具有很寬的變化範圍，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行校正，以補償器件之間的差異和溫度漂移。長期以來，校準都是通過模擬電路進行的。然 而，現代電子學的進展使得數字校準比模擬校準更具成本效益，而且其準確性也更好。此外，利用一些模擬技術「竅門」，可以在不犧牲精度的前提下簡化數字校準。

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是靈敏度的溫度係數(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則是偏移量的溫度係數(OTC)。公式(1)使用一次多項公式來對傳感器進行建模，而有些應用場合可能會用到高次多項公式、分段線性技術或者分段二次逼近模型，並為其中的係數建立一個查尋表。無論使用哪種模型，數字校準時都要對VOUT、VB和T進行數位化，同時要採用某種方公式來確定全部係數並進行必要的計算。公式(2)由公式(1)變化所得，從中可清楚地看到，通過數字計算(通常由微控制器(MCU)執行)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)

電壓驅動

圖1 該電路直接測量計算實際壓力所需的變量(激勵電壓、溫度和電橋輸出)

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)進行數位化，這些測量值隨後被傳送到MCU，在那裡轉換成實際的壓力。電橋直接由電源驅動，電源同時也為ADC、電壓基準源和 MCU供電。電阻公式溫度檢測器Rt用來測量溫度，ADC內的輸入復用器同時測量電橋、RTD和電源電壓。為確定校準係數，整個系統(或至少是RTD和電 橋)被放到恆溫箱裡，在多個不同溫度下進行測量。測量數據通過測試系統進行處理，以確定校準係數，最終的係數被下載到MCU並存儲到非易失性存儲器中。

設計該電路時主要考慮的是動態範圍和ADC的解析度，最低要求取決於具體應用和所選的傳感器和RTD的參數。 在本例中，傳感器的具體參數如下。

系統規格

· 滿量程壓力：100psi

· 壓力解析度：0.05psi

· 溫度範圍：-40～+85℃

· 電源電壓：4.75～5.25V

壓力傳感器規格

· S0 (靈敏度): 150～300μV/V/psi

· S1(靈敏度的溫度係數): 最大為-2500×10-6/℃

· U0 (偏移): -3～+3mV/V

· U1 (偏移的溫度係數): -15～+15μV/V/℃

· RB (輸入電阻): 4.5kΩ

· TCR (電阻溫度係數): 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

電壓解析度

ADC能夠接受的最小電壓解析度可根據傳感器能夠檢測到的最小壓力變化所對應的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行測量。注意，公式(1)中的偏移項不影響解析度，因為解析度僅與壓力響應有關。使用公式(1)以及上述假設可得：

VOUTmin=4.75V×(0.05psi/count×150μV/V/psi×(1+(-2500×10-6/℃)×(85℃-25℃))
≈30.3μV/count

所以，最低ADC電壓解析度為30μV/ count。

ADC的輸入範圍

ADC的輸入範圍取決於最大輸入電壓和最小電壓。根據公式1，產生最大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/℃的偏移溫度係數、-2500×10-6/℃的TCS以及 300μV/V/psi的最高靈敏度。最小信號一般都在無壓力(P＝0)，電源電壓為5.25V、-3mV/V的偏移、-40℃的溫度以及OTC等於+ 15μV/V/℃的情況下出現。

再次使用公式(1)以及上述假設可得：

VOUTmax=5.25V×(100psi×300μV/V/psi×(1+(-2500×10-6/℃)× (-40℃－25℃))+3mV/V+(-0.015mV/V/℃)×(-40℃-25℃))=204mV

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