采用信號調(diào)理IC驅(qū)動應變片電橋傳感器

溫度對傳感器性能的影響

溫度導致零負載輸出電壓漂移(也稱為失調(diào))，在負載情況下使靈敏度出現(xiàn)變化(也定義為滿量程輸出電壓)，對傳感器性能有不利的影響。傳感器生產(chǎn)商在電路中引入溫度敏感電阻，補償這些變化的一階影響，如圖1-3所示。

當溫度變化時，電阻RFSOTC和RFSOTC_SHUNT調(diào)制電橋激勵電壓。一般而言，RFSOTC材料有正溫度系數(shù)，電橋激勵電壓隨溫度升高而降低。隨著溫度的提高，傳感器輸出對負載越來越敏感。降低電橋激勵電壓能夠減小傳感器輸出，有效地抵消內(nèi)在溫度效應。電阻RSHUNT對溫度或者應變不敏感，用于調(diào)整RFSOTC產(chǎn)生的TC補償量。0Ω的RSHUNT能夠抵消RFSOTC的所有影響，而無限大的值(開路)將使能RFSOTC的所有影響。該方法補償一階溫度靈敏度的效果非常好，但是不能解決更復雜的高階非線性效應。

通過在電橋的一臂上插入溫度敏感電阻來完成失調(diào)變化的溫度補償。這些電阻是圖1-3中所示的ROTC_POS和ROTC_NEG。分流電阻(ROTC_SHUNT)調(diào)整ROTC_POS或者ROTC_NEG引入的溫度影響量。使用ROTC_POS或者ROTC_NEG取決于失調(diào)是正溫度系數(shù)還是負溫度系數(shù)。

怎樣實現(xiàn)電流激勵驅(qū)動

由于電橋電阻隨負載變化，以及內(nèi)置靈敏度補償網(wǎng)絡(luò)(圖2中顯示的RFSOTC和RFSOTC-SHUNT)中的電流過大或者電流反向等原因，使用電流來激勵電橋傳感器有很大的困難。

可以采用各種方法來解決這些問題，實現(xiàn)電流激勵驅(qū)動。一種簡單的方法是使用MAX1452，通過配置實現(xiàn)電壓驅(qū)動。該電路包括很少的外部元件，這些元件可滿足電壓激勵需要的大電流要求。MAX1452是全集成信號調(diào)理IC，完成傳感器激勵、信號濾波和放大、失調(diào)和靈敏度的溫度線性化等。

MAX1452主要設(shè)計用于壓力傳感中的硅片壓阻換能器(PRT)。它采用了4個16位Δ-Σ DAC (D-A轉(zhuǎn)換器)、溫度傳感器和溫度系數(shù)表來完成電橋傳感器的溫度補償和線性化(圖4)。在傳感單元和電壓輸出之間通過模擬信號通路來完成溫度補償和放大。該IC借助很少的外部電路就可以適應金屬片或者厚膜應變片，為惠斯通電橋提供電壓激勵以及更強的電流驅(qū)動能力。


圖4. MAX1452是電橋傳感器全集成信號調(diào)理IC

MAX1452包括PRT電流激勵電路(圖5)。電路包括一個電流鏡像(T1和T2)，將小參考電流放大14倍，足以驅(qū)動2kΩ到5kΩ的PRT傳感器。在RISRC和RSTC上加電壓可以獲得參考電流。該電壓由運算放大器U1反饋環(huán)路中的16位精度滿量程輸出D/A轉(zhuǎn)換器(FSO DAC)設(shè)置。


圖5. PRT電橋激勵電路圖

FSO DAC采用了Σ-Δ體系結(jié)構(gòu)，其數(shù)字輸入來自閃存中的溫度系數(shù)表。溫度每遞增1.5°C，每4ms向DAC提供唯一的16位系數(shù)。DAC輸出電壓驅(qū)動p溝道MOSFET T1的柵極，隨之向RISRC和RSTC驅(qū)動足夠的電流，產(chǎn)生等于FSO DAC電壓的電壓。通過T1的電流，由T2鏡像放大14倍，成為電橋驅(qū)動電流。

電阻RSTC使能傳感器激勵電流的一階調(diào)制，該電流是溫度的函數(shù)。對于硅片PRT換能器，當電流通過電橋時，從結(jié)果傳感器電橋電壓中獲得溫度。這類傳感器在電橋電阻和溫度之間具有很好的傳輸函數(shù)。通過電流激勵電橋，您可以調(diào)整結(jié)果電橋電壓，利用它對失調(diào)和靈敏度進行一階補償。這可以通過連接電橋電壓(引腳BDR)和滿量程輸出溫度補償DAC (FSOTC DAC)的參考輸入來實現(xiàn)。但是要記住，當使用金屬片或者厚膜應變片時，一般不適合采用電流激勵。