電橋測量基礎(chǔ)

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(xiàn)具有較大信號輸出的硅應(yīng)變計與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的接口，特別是Σ-Δ ADC，當使用硅應(yīng)變計時，它是一種實現(xiàn)壓力變送器的低成本方案

硅應(yīng)變計

硅應(yīng)變計的優(yōu)點在于高靈敏度，它通過感應(yīng)由應(yīng)力引發(fā)的硅材料體電阻變化來檢測壓力。相比于金屬箔或粘貼絲式應(yīng)變計，其輸出通常要大一個數(shù)量級。這種 硅應(yīng)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(yīng)變計應(yīng)用中 的使用。

不過，用MEMS工藝制作的硅壓力傳感器卻克服了這些弊病。這種MEMS壓力傳感器采用了標準的半導(dǎo)體工藝和特殊的蝕刻技術(shù)。這種特殊的蝕刻技術(shù)可 選擇性地從晶圓的背面除去一部分硅，從而生成由堅固的硅邊框包圍的、數(shù)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。最后，使用鉆石鋸從晶圓上鋸下各個傳感器。這時，硅傳感器已經(jīng)初具形態(tài)，但還需要配備壓力 端口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于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下具有很寬的變化范圍，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(xiàn)代電子學(xué)的進展使得數(shù)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(shù)“竅門”，可以在不犧牲精度的前提下簡化數(shù)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是靈敏度的溫度系數(shù)(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則是偏移量的溫度系數(shù)(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(yīng)用場合可能會用到高次多項公式、分段線性技術(shù)或者分段二次逼近模型，并為其中的系數(shù)建立一個查尋表。無論使用哪種模型，數(shù)字校準時都要對VOUT、VB和T進行數(shù)字化，同時要采用某種方公式來確定全部系數(shù)并進行必要的計算。公式(2)由公式(1)變化所得，從中可清楚地看到，通過數(shù)字計算(通常由微控制器(MCU)執(zhí)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(qū)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(shù)字化，這些測量值隨后被傳送到MCU，在那里轉(zhuǎn)換成實際的壓力。電橋直接由電源驅(qū)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(nèi)的輸入復(fù)用器同時測量電橋、RTD和電源電壓。為確定校準系數(shù)，整個系統(tǒng)(或至少是RTD和電 橋)被放到恒溫箱里，在多個不同溫度下進行測量。測量數(shù)據(jù)通過測試系統(tǒng)進行處理，以確定校準系數(shù)，最終的系數(shù)被下載到MCU并存儲到非易失性存儲器中。

設(shè)計該電路時主要考慮的是動態(tài)范圍和ADC的分辨率，最低要求取決于具體應(yīng)用和所選的傳感器和RTD的參數(shù)。 在本例中，傳感器的具體參數(shù)如下。

系統(tǒng)規(guī)格

· 滿量程壓力：100psi

· 壓力分辨率：0.05psi

· 溫度范圍：-40～+85℃

· 電源電壓：4.75～5.25V

壓力傳感器規(guī)格

· S0 (靈敏度): 150～300μV/V/psi

· S1(靈敏度的溫度系數(shù)): 最大為-2500×10-6/℃

· U0 (偏移): -3～+3mV/V

· U1 (偏移的溫度系數(shù)): -15～+15μV/V/℃

· RB (輸入電阻): 4.5kΩ

· TCR (電阻溫度系數(shù)): 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

電壓分辨率

ADC能夠接受的最小電壓分辨率可根據(jù)傳感器能夠檢測到的最小壓力變化所對應(yīng)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)中的偏移項不影響分辨率，因為分辨率僅與壓力響應(yīng)有關(guān)。使用公式(1)以及上述假設(shè)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電壓分辨率為30μV/ count。

ADC的輸入范圍

ADC的輸入范圍取決于最大輸入電壓和最小電壓。根據(jù)公式1，產(chǎn)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/℃的偏移溫度系數(shù)、-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等于+ 15μV/V/℃的情況下出現(xiàn)。

再次使用公式(1)以及上述假設(shè)可得：

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