基於惠斯頓電橋的壓力傳感器

許多壓力傳感器使用微機電係統(MEMS)技術
，它們由4gecaiyonghuisidundianqiaojiegoulianjiedeyamindianzuzucheng。dangzhexiechuanganqishangmeiyouyalishi，qiaozhongdesuoyoudianzuzhidoushixiangdengde。dangyouwailishijiayudianqiaoshi，lianggexiangxiangdianzudezuzhijiangzengjia，erlinglianggedianzudezuzhijiangjianxiao

，erqiezengjiahejianxiaodezuzhibicixiangdeng。

遺憾的是，事情並非如此簡單，因為傳感器存在偏移和增益誤差。偏移誤差是指沒有壓力施加於傳感器時存在輸出；增益誤差指傳感器輸出相對於施加於傳感器外力的敏感程度。典型傳感器一般規定激勵電壓為5V
，具有20mV/V的標稱滿刻度輸出。這意味著在激勵電壓為5V時，標稱滿刻度輸出為：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，或標稱滿刻度的±50%。

假設兩個電阻串聯形成電阻串，由於是等值電阻，因此兩電阻間的節點電壓是電阻串電壓的一半。如果一個電阻值增加1%，另一個電阻減小1%，那麼兩個電阻節點處的電壓將改變1%。如果將兩個電阻串進行並聯，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%
，另外兩個電阻增加1%，那麼兩個“中”點間的電壓將從零差值變為改變2%。兩個並行分支的這種配置就被稱為惠斯頓橋。

 
圖1：受激勵電壓VEX和差分輸出電壓V驅動的惠斯頓橋

ruguobulejiepianyiyijichuanganqishuchudianyaheyalizhijiandezhenshiguanxi，womenjiuzhinengculvegujishijiayuchuanganqishangdeyalidaxiao。zheyiweizhexuyaocaiyangxiaozhundefangfalaihuodegenghaodejingdu。

幸xing運yun的de是shi，給gei定ding傳chuan感gan器qi的de偏pian移yi和he滿man刻ke度du誤wu差cha隨sui時shi間jian變bian化hua相xiang當dang穩wen定ding，因yin此ci一yi旦dan傳chuan感gan器qi得de到dao校xiao準zhun
，在zai該gai傳chuan感gan器qi生sheng命ming期qi內nei可ke能neng無wu需xu改gai變bian校xiao準zhun係xi數shu就jiu能neng滿man足zu精jing度du要yao求qiu。當dang然ran，在zai每mei次ci上shang電dian時shi通tong常chang需xu要yao再zai次ci校xiao準zhun係xi統tong。

基本信號調節電路由一個儀表放大器和一個模數轉換器(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，然後由ADC將放大後的傳感器輸出電壓轉換為數字式
，再交給控製器或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：基本壓力傳感器調節電路

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。當傳感器輸出處於滿刻度時
，ADC輸入應該接近其滿刻度值
，這個值通常就是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。假設電阻完美匹配，那麼儀表放大器的增益等於：

 

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需要解決的挑戰

如前所述，關於傳感器有兩大挑戰需要解決：首先是傳感器具有輸出偏移，這個偏移可以在圖2中的VOFF點加合適的電壓進行調整，或者在傳感器輸出被數字化後用軟件消除。如果用軟件處理
，那麼VOFF就變成0伏。

用yong軟ruan件jian消xiao除chu偏pian移yi的de問wen題ti在zai於yu，限xian製zhi了le可ke測ce量liang的de傳chuan感gan器qi範fan圍wei。如ru果guo偏pian移yi是shi正zheng的de，將jiang限xian製zhi可ke以yi測ce量liang的de最zui大da傳chuan感gan器qi輸shu出chu，因yin為wei放fang大da的de傳chuan感gan器qi輸shu出chu可ke能neng比bi期qi望wang的de更geng早zao達da到daoADC滿刻度值。如果偏移是負的，將無法精確測量很小的傳感器輸出電平，因為在超過放大的偏移值之前，ADC輸出代碼不會高過零值。

第二個挑戰是可能針對傳感器滿刻度輸出的輸出電壓值範圍。例如
，標稱滿刻度輸出電壓為100mV的傳感器可能有這樣一個指標，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於標稱值
，ADC的滿刻度範圍就不會使用。如果滿刻度傳感器輸出超過標稱值，ADC輸出將在傳感器輸出達到其滿刻度之前先達到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
，那麼在讀數時將存在某種不確定性和不精確性。

幸運的是，目前的傳感器即使有時間漂移也非常小，仔細選擇放大器可以使放大器漂移最小。因此
，在製造期間和/或係統上電時
，電路增益可以一次調整到位。

達到這個目的的方法之一是使用數模轉換器(DAC)調整ADC參考電壓VREF，以補償傳感器的滿刻度誤差
，使用另一個DAC調整圖2中的VOFF以補償偏移誤差。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），將是這種應用的理想之選。另外一種方法，是在傳感器輸出被數字化後
，用軟件校準這些誤差。

jiejuezhelianggetiaozhandezuijiafangan
，shizaizhizaoguochenghexitongqidongshideruanjianxiaozhunguochengzhong，tiaozhengpianyihezengyiwucha。zhezhongfangfayunxuyongruanjianshixianzuixiaowuchaxiaozhun，bingbaochiADC的最大可用動態範圍。

第三個問題是
，單端ADC通常要求其輸入可以被驅動到非常接近零伏

，以產生零輸出代碼。問題產生的原因是
，用於驅動ADC輸入的放大器不能產生低於50mV左右的輸出。即使所所用的放大器具有軌到軌輸出能力，這種現象也很常見。

雖然對某些應用來說，電路無法提供最小的ADC零輸出代碼沒什麼關係
，但對其它應用來說這卻是個問題。對於後者，解決方案包括：

給驅動單端輸入ADC的放大器提供負電源。

使用既帶正參考電壓又帶負參考電壓的單端ADC
，這些參考電壓可以設為比器件地高的值，並相應抵消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，用軟件進行調整

使用差分輸入ADC。

驅動ADC的(de)放(fang)大(da)器(qi)使(shi)用(yong)負(fu)電(dian)源(yuan)有(you)個(ge)缺(que)點(dian)
，即(ji)係(xi)統(tong)中(zhong)可(ke)能(neng)沒(mei)有(you)負(fu)電(dian)源(yuan)，而(er)單(dan)為(wei)這(zhe)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)負(fu)電(dian)源(yuan)又(you)似(si)乎(hu)不(bu)太(tai)可(ke)行(xing)。對(dui)此(ci)，國(guo)半(ban)公(gong)司(si)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)反(fan)向(xiang)器(qi)LM2787提供了一種簡單的解決方案。

所有ADC都有一個正參考電壓和一個負參考電壓。這兩個參考電壓之間的差值就是所謂的ADC“參考電壓”。負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內部將負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ADCdedidianpingtongchangbushijianrongyideshi。jiangtapianzhidetaigaokenenghuichuxianshuchujiekouwenti，yinweiqijiandeluojididianpingjiangbidipianzhizhigaochuyixie。raner

，zheyangzuoyujiangADC負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整是一種可行的方法，但會降低ADC使用的動態範圍。相當於提供圖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
，並對ADC輸出代碼進行軟件調整。

結語

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輸入端的整個輸入電壓範圍內保持良好的電路線性
，並且無需在係統中使用負電壓。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。