所有类型的传感器在以前几年中都有了很大年夜成长，并且与之前的产品比拟，加倍精确也更稳定。有的时刻，这些传感器应用起来并不简单。面向这些传感器的调节电路设计师，经常发明词攀类电路的开辟若干有些令人头疼。然而，只需少量基本常识并应用新的在线传感器设计对象，这个过程面对的很多挑衅都可以或许水到渠成。

固然如今市情上有多种传感器，但压力传感器最为常见。是以，本文将评论辩论基于惠斯顿电桥压力传感器的根本工作道理，以及用于转换这种桥传感器输出的处理电路，包含偏移和增益校准。

基于惠斯顿电桥的压力传感器
荣幸的是，给定传感器的偏移和满刻度误差随时光变更相当稳定，是以一旦传感器获得校准，在该传感器生命期内可能无需改变校准系数就能知足精度请求。当然，在每次上电时平日须要再次校准体系。


很多压力传感器应用微机电体系(MEMS)技巧，它们由4个采取惠斯顿电桥构造连接的压敏电阻构成。当这些传感器膳绫腔有压力时，桥中的所有电阻值都是相等的。当有外力施加于电桥时，两个相向电阻的阻值将增长，而另两个电阻的阻值将减小，并且增长和减小的阻值彼此相等。

遗憾的是，工作并非如斯简单，因为传感器存在偏移和增益误差。偏移误差是指没有压力施加于传感器时存在输出；增益误差指传感器输出相对于施加于传感器外力的敏感程度。典范传感器一般规定鼓励电压为5V，具有20mV/V的标称满刻度输出。这意味着在鼓励电压为5V时，标称满刻度输出为：20 mV/V × 5 V = 100 mV.
偏移电压可能是2mV，或满刻度的2%；最小和最大年夜满刻度输出电压可能是50mV和150mV，或标称满刻度的±50%。

假设两个电阻串联形成电阻串，因为是等值电阻，是以两电阻间的节点电压是电阻串电压的一半。如不雅一个电阻值袈漩加1%，另一个电阻减小1%，那么两个电阻节点处的电压将改变1%。如不雅将两个电阻串进行并联，如图1所示，左边下方的电阻和右边上方的电阻阻值均减小1%，别的两个电阻增长1%，那么两个“中”点间的电压将大年夜零差值变为改变2%。两个并行分支的┞封种设备就被称为惠斯顿桥。

图1：受鼓励电压VEX和差分输出电压V驱动的惠斯顿桥

如不雅不懂得偏移以及传感器输出电压和压力之间的┞锋实关系，我们就只能粗略估计施加于传感器上的压力大年夜小。这意味着须要采样校准的办法来获得更好的精度。


根本旌旗灯号调节电路由一个仪表放大年夜器和一个模数转换器(ADC)构成。仪表放大年夜器将来自传感器的小输出电压放大年夜到合适ADC的电平，然后由ADC将放大年夜后的传感器输出电压转换为数字式，再交给控制器或DSP处理(图2)。仪表放大年夜器可以用来避免桥过载，而这种过载会改变传感器输出电压值。
进步ADC的地电平平日不是件轻易的事。别的，将它偏置得太高可能会出现输出接口问题，因为器件的逻辑低电平将比地偏置值赶过一些。然而，如许做与将ADC负参考电压定义为低值(也许70mV至100mV)具有雷同的效不雅。

图2：根本压力传感器调节电路

传感器的满刻度输出即最大年夜输入，可以或许在放大年夜器输入端看到。当传感器输出处于满刻度时，ADC输入应当接近其满刻度值，这个值平日就是ADC的参考电压VREF。放大年夜器请求的增益大年夜小为：

个中VREF代表ADC的参考电压，“Sensor FS”是传感器的满刻度输出值。假设电阻完美匹配，那么仪表放大年夜器的增益等于：

如前所述，关于传感沃森仪表器有两大年夜挑衅须要解决：起首是传感器具有输出偏移，这个偏移可以在图2中的VOFF点加合适的电压进行调剂，或者在传感器输出被数字化后用软件清除。如不雅用软件处理，那么VOFF就变成0伏。

用软件清除偏移的问题在于，限制了可测量的传感器范围。如不雅偏移是正的，将限制可以测量的最大年夜传感器输出，因为放大年夜的传感器输出可能比期望的更早达到ADC满刻度值。如不雅偏移是负的，将无法精确测量很小的传感器输出电平，因为在跨越放大年夜的偏移值之前，ADC输出代码不会高过零值。


第二个挑衅是可能针对传感器满刻度输出的输出电压值范围。例如，标称满刻度输出电压为100mV的传感器可能有如许一个指标，它注解了这种满刻度输出低至50mV和高至150mV的可能性。
如不雅满刻度传感器输出低于标称值，ADC的满刻度范领巾不会应用。如不雅满刻度传感器输出跨越标称值，ADC输出将在传感器输出达到其满刻度之前先达到ADC满刻度输出值。此外，如不雅传感器输出或放大年夜器本身有漂移，那么在读数时将存在某种不肯定性和不精确性。

荣幸的是，今朝的传感器即使有时光漂移也异常小，细心选择放大年夜器可以使放大年夜器漂移最小。是以，在制造时代和/或体系上电时，电路增益可以一次调剂到位。

须要解决的挑衅
达到这个目标的办法之一是应用数模转换器(DAC)调剂ADC参考电压VREF，以补偿传感器的满刻度误差，应用另一个DAC调剂图2中的VOFF以补偿偏移误差。双通道DAC，如国半的DAXxx2S085（个中“xx”可所以08、10或12，代表DAC分辨率），将是这种应用的幻想之选。别的一种办法，是在传感器输出被数字化后，用软件校准这些误差。

解决这两个挑衅的最佳筹划，是在制造过程和体系启动时的软件校准过程中，调剂偏移和增益误差。这种办法许可用软件实现最小误差校准，并保持ADC的最大年夜可用动态范围。


第三个问题是，单端ADC平日请求其输入可以被驱动到异常接近零伏，以产生零输出代码。问题产生的原因是，用于驱动ADC输入的放大年夜器不克不及产生低于50mV阁下的输出。即使所所用的放大年夜器具有轨到轨输出才能，这种现象也很常见。

固然对某些应用来说，电路无法供给最小的ADC零输出代码没什么关系，但对其它应用来嗣魅这倒是个问题。对于后者，解决筹划包含：

* 给驱动单端输入ADC的放大年夜器供给负电源。

* 应用既带正参考电压又带负参考电压的单端ADC，这些参考电压可以设为比器件地高的值，并响应抵消ADC输入电压。

* 将ADC的地偏置到约100mV。


* 偏移ADC输入，丢弃ADC输出端的一些代码，用软件进行调剂
* 应用差分输入ADC。

驱动ADC的放大年夜器应用负电源竽暌剐个缺点，即体系中可能没有负电源，而单为这个放大年夜器供给一个负电源竽暌怪似乎不太可行。对此，国半公司的开关电容电压反向器LM2787供给了一种简单的解决筹划。

所有ADC都有一个正参考电压和一个负参考电压。这两个参考电压之间的差值就是所谓的ADC“参考电压”。负参考和正参考电压分别定义了输入最小和最大年夜电压。遗憾的是，今朝很多ADC内部将负参考电压定义为器件地，这是为了将ADC集成在具有更少外部引脚的更小封装中而作出的就义。

增长ADC偏移并对ADC满刻度输入值作合适调剂是一种可行的办法，但会降低ADC应用的动态范围。如许做相当于供给图2所示的┞俘VOFF，削减放大年夜器增益，以便ADC输入不跨越ADC参考电压，并对ADC输出代码进行软件调剂。

应用差分输入ADC是一种最好的办法，它能获得ADC零输出代码，在ADC输入端的┞符个输入电压范围内保持优胜的电路线性，并且无需在体系中应用负电压。在这种办法中，差分放大年夜器的输出反馈到ADC的差分输入端，无需差分到单端放大年夜器电路。是以这是一种既简荡竽暌怪不掉高效的完美解决筹划。(end)