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低成本传感器及A/D转换接口的设计考虑(2)

低成本传感器及A/D转换接口的设计考虑(2)

与图4类似的另一种方法如图5所示的电路,无需电流源或电压基准。需要注意的是:虽然传感器和ADC的组合在整个温度范围内都很稳定,但是ADC和传感器都具有很大的温漂。如果单独测量,传感器的灵敏度将随温度的升高而降低,而ADC的灵敏度则升高。由于在整个温度范围内ADC输出不是稳定的,所以将该方法用于ADC有多路输入的电路时必须特别小心。

图5. 传感器和ADC组合的另一种设计方法,无需独立的电流源或电压基准。
从图5可以得出公式9:
Vref = Ie x R1 公式9
将公式9中的Vref和公式8中的Vs代入上述ADC的公式4 ,得出公式10。
D = [Ie (S x P+C)/(Ie x R1)](FS x K) 公式10
因为分子和分母中含有激励电流(Ie),因此可消去。由此可得到公式11,表示输出与激励电流无关。如果将公式11中的常数项合并,将再次得出与公式6等效的公式:带有电压基准的系统。
D = P(S x FS x K/R1)+C(FS x K/R1) 公式11
如果R1作为一个常数,它必须具有较低的温度系数。与图4相比,图5要求R1具有良好的温度稳定性,这并不是其缺点,因为图4中的电阻也必须具有良好的温度稳定性。
公式11中没有R2,而且电路中也不需要R2。但是,对R2进行分析是为了说明它并不影响ADC读数。R2可用另一个电流驱动的压力传感器、RTD或一个固态开关的电阻代替,而不会影响ADC读数。
理论上,可以采用多通道输入ADC和数个串联驱动的电流型传感器。然而,传感器串联会使得激励电流(Ie),传感器信号(Vs)以及参考电压(Vref)更低。当传感器串联时,需要特别注意对ADC Vref的要求及系统噪声。
RTD
RTD是另一种通常与电流源配合使用的传感器。RTD的常用材料是铂,通常具有约3,800ppm/°C的正温度系数。测量RTD的传统方法是将其作为电阻桥的一个端子。然而,在实际应用中,很少使用电阻桥。低成本高分辨率ADC的存在在,使得只需驱动一个电流流过RTD,并直接测量RTD两端的电压这种简单方案更为经济。这种方法避免了非平衡桥的非线性问题,并且省去了组成电阻桥的三个精密电阻。
图6中的电路也无需利用电桥或者稳定的电流源来测量RTD (Rt)。该电路只需要一个稳定的基准电阻(R1)和一个低等级的限流电阻即可。

图6. 无需电阻桥或稳定电流源来测量Rt的电路
由图6可以得出下列公式:
Vs = (V+) x Rt/(R1+R2+Rt) 公式12
Vref = (V+) x R1/(R1+R2+Rt) 公式13
将公式12中的Vs和公式13中的Vref代入公式4,得出图6中ADC的输出。经过简化可得公式14。公式14表示:如果R1是定值,D则正比于、且仅随Rt的变化而变化,这正是所期望的结果。
D = FS x K x (Rt/R1) 公式14
由公式14 可以看出,R2不影响读数;R2降低了Rt所消耗的功率。如果没有R2的话,Rt的自身热量将导致温度示数出现很大误差。R2还降低了ADC的共模输入电压。这对某些共模输入电压范围小于电源电压的ADC是非常必要的。
类似于MAX1403的ADC包含用于驱动RTD的电流源。然而,它们并不是精密电流源,还需要进行一些校准。校准通常是采用一个额外的ADC输入来测量由相同的电流源驱动的参考电阻来实现的。然后,采用软件按照已知电阻的测量值依比例确定未知电阻的测量值。虽然这种技术可以很好地工作,不过,将R1作为参考电阻更加简单并且无需额外的ADC输入。板上的电流源仍能用来激励RTD和参考电阻。用一个电流源替换图6中的R2不会对公式14产生影响。
一些ADC可提供两个互相匹配的电流源用于精确测定远程RTD。在这些应用中长导线的电阻会增加RTD的阻抗,从而产生误差,必须想办法去除。成本最低的解决方案是采用三线RTD。如图7所示,电流源1可用于产生RTD两端的压降。该电流源还在通向RTD的上部导线上产生额外的压降。为了补偿这个多余的压降,用电流源2在中间的导线上产生一个压降。通过RTD底部的导线使这两个电流源流向地。RTD上三根导线的长度和材料都相同,这样可使彼此之间的电阻非常接近。匹配电阻传送匹配电流可产生匹配的压降。因此,上部的两根导线压降彼此抵消,ADC上的差分输入电压与RTD两端的电压相同。

图7. MAX1403 ADC有两个匹配的电流源,在该电路中,电流源1用于产生RTD两端的压降,电流源2用于产生中间导线的压降。
温度和压力
图8结合了图5和图6中的设计理念,采用一个很简单的电路,以单个电阻作为基准同时测量温度和压力。Vs1和Vs2的幅值相差很大。这个差值可通过改变ADC (例如MAX1415)内置可编程增益放大器(PGA)的增益进行调节。这些转换器允许PGA对每个通道都设置不同的增益。增益的改变可使公式4中的K值改变,因此,允许单个参考电压能够适应较宽范围的输入电压。

图8. 用单个电阻作为基准的简单电路测量温度和压力
惠斯通电桥
惠斯通电桥是由Charles Wheatstone爵士(1802至1875)在电子学发展的早期阶段发明的。惠斯通电桥通过对三个已知电阻值和一个未知电阻值进行比较来测量电阻。当电桥恰好达到平衡时,电阻测量值与激励电压、仪表精度或电路中的仪表负载无关。在尚不具备电压标准和高品质仪表的时代,这个条件是非常重要的。然而,桥式电路在当前仍很流行,因为在所有电桥电阻具有相同的温度系数时,它们不会产生大的失调并能抑制温度效应。
图9是一个由同一电压源供电的两个分压器组成的惠斯通电桥。习惯将电桥画成菱形,因为这种形状强调了同一电压源为每个分压器供电的重要性。电桥的输出(Vo)是两个分压器输出电压之差(公式15)。当Vo为零时,称电桥达到平衡。在这种条件下,因为Ve与一个为零项相乘,所以激励电压(Ve)的精确值并不重要。公式16可计算出平衡电桥中未知电阻(Ru)的阻值。在实际应用中,通常使Ra = Rb,这样公式16可简化为Ru = Rc。

图9. 由同一个电压源供电的分压器组成的惠斯通电桥示意图
Vo = Vb(Rc/(Rc+Ru) - Rb/(Ra+Rb)) 公式15
若Vo = 0,则Ru = Rc x Ra/Rb 公式16
目前已经很少使用平衡电桥电路测量电阻,但是在传感器中采用非平衡电桥相当常见。在工厂校准时,电桥通常被平衡在一个优选的工作点上;通过测量电桥中的不平衡来测量与该点的偏差。下面举例说明以该方式使用电桥的优点。
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