驅(qū)動(dòng)應(yīng)變橋傳感器的信號(hào)調(diào)理IC

2004年7月A版

　　應(yīng)變片傳感器具有可靠、可重復(fù)和精確的特點(diǎn)，廣泛用于制造、過(guò)程控制和科研領(lǐng)域。應(yīng)變片傳感器把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為壓力傳感器、重量測(cè)量、力和轉(zhuǎn)矩測(cè)量及材料分析所用的電信號(hào)。應(yīng)變片只不過(guò)是一個(gè)電阻器，其值隨粘貼材料的應(yīng)變而變化。

　　通用的應(yīng)變片具有寬范圍零應(yīng)變電阻。傳感器材料和工藝是造成其寬范圍特點(diǎn)的原因，但幾個(gè)值(如120W和350W)已成為應(yīng)用中的主導(dǎo)。早期，標(biāo)準(zhǔn)值有助于簡(jiǎn)化應(yīng)變測(cè)量，能夠方便地與包含匹配輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)的基本磁偏轉(zhuǎn)表結(jié)合。

　　制造應(yīng)變片所用的材料為有限的幾種合金，所選合金應(yīng)使傳感器溫度系數(shù)和應(yīng)變材料之間的差別最小。傳感器材料主要是鋼，不銹鋼和鋁。也有用鈹青銅、鑄鐵和鈦。但大多數(shù)合金能制造大量低成本、溫度適合的應(yīng)變片。最通用的是350W康銅應(yīng)變片。

　　高可靠性、容易制造的厚膜和薄膜傳感器對(duì)汽車(chē)應(yīng)用有較大的吸引力，這種傳感器是在表面淀積絕緣材料的陶瓷或金屬襯底上制造。用蒸發(fā)淀積工藝把傳感器材料淀積在絕緣層的頂層。用激光汽化或光掩模和化學(xué)蝕刻工藝，把感測(cè)傳感器和互連線值入金屬中。有時(shí)增加一個(gè)保護(hù)絕緣層來(lái)保護(hù)傳感器和互連線。

　　傳感器材料通常包括一種專(zhuān)用合金，所選的合金能產(chǎn)生所希望的傳感器阻抗、阻抗隨應(yīng)力的變化關(guān)系以及傳感器和基層金屬間最好的溫度系數(shù)匹配。已開(kāi)發(fā)出3KW~30KW標(biāo)定傳感器和橋阻抗，已用于制造壓力和力傳感器。

　　惠斯登橋通常用于片、薄膜或厚膜基應(yīng)變片傳感器中。惠斯登橋把傳感器應(yīng)變所引起的阻抗變化變換為差分電壓(見(jiàn)圖1)。當(dāng)激勵(lì)電壓加到+Exc和-Exc端時(shí)，與應(yīng)變成比例的差分電壓呈現(xiàn)在+Vout和-Vout端。

　　在有源惠斯登半橋電路(圖2)中，只有2個(gè)元件是響應(yīng)于材料應(yīng)變的傳感元件。這種配置的輸出信號(hào)(一般在滿(mǎn)載荷時(shí)為1mV/V)是有源全橋的一半。

　　另一種有源全橋電路(圖3)用4個(gè)以上的有源350W應(yīng)變片。特征橋阻抗是350W，輸出靈敏度是2mV/V，應(yīng)變材料分布在較寬的測(cè)量區(qū)域。

　　溫度會(huì)影響傳感器性能，導(dǎo)致零阻抗輸出電壓漂移(也稱(chēng)之為失調(diào))和負(fù)荷條件下靈敏度改變(也定義為滿(mǎn)標(biāo)輸出電壓)。傳感器制造廠家在電路中加入熱敏電阻對(duì)這些變化進(jìn)行一階補(bǔ)償(見(jiàn)圖1~3)。

　　隨著溫度的變化，電阻RFSOTC和RFSOTC-SHUNT調(diào)整橋激勵(lì)電壓。通常，RFSOTC材料具有正溫度系數(shù)，可在溫度上升時(shí)降低橋激勵(lì)電壓。隨著溫度的上升，傳感器輸出變得愈加對(duì)負(fù)載敏感，而降低的橋激勵(lì)電壓有效地抵消固有溫度對(duì)降低傳感器輸出的影響。電阻RSHUNT對(duì)溫度或應(yīng)變不敏感，它用于微調(diào)RFSOTC的TC補(bǔ)償值。OW的RSHUNT值將抵消RFSOTC所有影響，而RSHUNT開(kāi)路時(shí)(阻值無(wú)限大)，將完全受RFSOTC的影響。這種方法用于溫度靈敏度效應(yīng)的一階補(bǔ)償相當(dāng)好，但不能補(bǔ)償更復(fù)雜和更高階的非線性效應(yīng)。

　　在橋的一個(gè)臂上加入熱敏電阻，可實(shí)現(xiàn)偏移變化的溫度補(bǔ)償。這些電阻如圖1-3所示的ROTC-POS或ROTC-NEG。并聯(lián)電阻ROTC-SHUNT微調(diào)ROTC-POS或ROTC-NEG所引起的溫度影響值。采用ROTC-POS還是ROTC-NEG？取決于偏移是正或負(fù)溫度系數(shù)。

　　用電流激勵(lì)橋傳感器會(huì)導(dǎo)致橋阻抗隨負(fù)載變化，而且電流會(huì)對(duì)消或使內(nèi)置靈敏度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(圖2中的RFSOTC和RFSOTC-SHUNT)無(wú)效。

　　有些方法對(duì)解決這些問(wèn)題是有效的，并可啟用電流激勵(lì)驅(qū)動(dòng)，而且較容易的方法是在配置中用MAX1452，提供電壓驅(qū)動(dòng)。此電路具有用電壓激勵(lì)提供所必須的大電流能力，但所需的外部元件數(shù)最少。MAX1452是一款完整的高集成度信號(hào)調(diào)理IC，可實(shí)現(xiàn)傳感器激勵(lì)、信號(hào)濾波和放大以及偏移和靈敏度的溫度線性化。

　　MAX1452主要設(shè)計(jì)用于檢測(cè)壓力的硅壓阻式傳感器(PRT)。它包含4個(gè)16位△∑DAC、一個(gè)溫度傳感器以及用于橋傳感器溫度補(bǔ)償和線性化的索引溫度系數(shù)表(見(jiàn)圖4)。通過(guò)檢測(cè)元件和電壓輸出之間的模擬信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和放大。此IC適合片狀或薄膜應(yīng)變片，用最少的外部電路來(lái)提供惠斯登橋的電壓基激勵(lì)和大電流驅(qū)動(dòng)能力。

　　MAX1452包含PRT電流激勵(lì)電路(圖5)。此電路包括電流鏡像電路(T1和T2)，此電路將基準(zhǔn)電流放大14倍足以驅(qū)動(dòng)2KW~5KW范圍的PRT傳感器?；鶞?zhǔn)電流由RISRC和RSRC上的電壓提供。此電壓由運(yùn)放U1反饋回路中的16位精密D/A轉(zhuǎn)換器FSO DAC設(shè)置。

　　滿(mǎn)量程輸出DAC(FSO DAC)具有△∑結(jié)構(gòu)并從閃存中的溫度系數(shù)索引表取得數(shù)字輸入。每1.5℃溫度增量每4ms提供唯一的16位系數(shù)給DAC。DAC的輸出電壓驅(qū)動(dòng)P溝道MOSFET T1的柵極，T1又產(chǎn)生足夠的電流到RISRC和RSTC，以產(chǎn)生等效的FSO DAC電壓。通過(guò)T1的電流，由T2鏡像放大14倍作為橋驅(qū)動(dòng)電流。

　　電阻RSTC根據(jù)溫度的變化實(shí)現(xiàn)傳感器激勵(lì)電流的一級(jí)調(diào)諧。對(duì)于硅PRT傳感器，電流流過(guò)傳感器橋時(shí)產(chǎn)生電壓，電壓則引起溫度的變化。由此可見(jiàn)，傳感器在橋電阻和溫度之間提供了一個(gè)良好的傳遞函數(shù)。用電流激勵(lì)傳感器橋，可以按比例調(diào)節(jié)所產(chǎn)生橋電壓，用作失調(diào)和靈敏度的一階補(bǔ)償。這一過(guò)程是通過(guò)將橋電壓(BDR引腳)切換到滿(mǎn)標(biāo)程輸出溫度補(bǔ)償DAC(FSOTC DAC)的基準(zhǔn)輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。注意，采用片狀或厚膜應(yīng)變片時(shí)一般不采用電流激勵(lì)。

　　MAX1452的內(nèi)部75KW電阻可用做RISRC和RSTC，或用開(kāi)關(guān)SW1和SW2切換外部電阻(見(jiàn)圖5)。ISRC引腳提供與運(yùn)放的連接，并允許來(lái)自橋驅(qū)動(dòng)的電壓反饋。圖6-8示出3個(gè)不同的電壓驅(qū)動(dòng)電路。

　　對(duì)于2KW或更高阻抗的傳感器，圖6所示的簡(jiǎn)單電路提供到橋的電壓驅(qū)動(dòng)激勵(lì)。斷開(kāi)SW1和SW2禁止FSOTC DAC調(diào)變電路。連接引腳ISRC到BDR實(shí)現(xiàn)運(yùn)放反饋回路，因此，得到來(lái)自橋激勵(lì)電壓的反饋。在供給橋電流時(shí)，晶體管T1和T2(它們是并聯(lián))使橋電壓上升到FSO DAC電壓。

　　連接惠斯登橋電路的低阻抗(120W~2KW)應(yīng)變片或薄膜電阻器不能由T2直接驅(qū)動(dòng)，但用射極跟隨器配置的外部npn晶體管(圖7)可解決此問(wèn)題。流經(jīng)npn晶體管的電流直接來(lái)自連接集極的VDD電源。運(yùn)放U1驅(qū)動(dòng)T1和T2使其進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，使橋電壓升高。為了閉合回路，ISRC端的橋電壓反饋到運(yùn)放。調(diào)整橋電壓來(lái)匹配FSO DAC輸出電壓。為了穩(wěn)定，可加一個(gè)小的0.1mF電容跨接在橋上。

　　npn晶體管的發(fā)射結(jié)電壓(VBE)具有較大的溫度系數(shù)，但它所造成的影響可以通過(guò)反饋至U1的環(huán)路進(jìn)行校準(zhǔn)。低溫時(shí)，VBE電壓較大，最大橋電壓限制在：

　　VBRIDGEMAX=VDD-VT2SAT-VBE

　　和VBE溫度元件一樣，TNPN的增益也需要溫度校準(zhǔn)，可以用控制反饋回路補(bǔ)償它的影響。

　　為低阻抗橋提供足夠驅(qū)動(dòng)電流的另一種方法是增加一個(gè)小的外部電阻與T2并聯(lián)(圖8中的RSUPP)。RSUPP值保證橋電壓略小于所希望的值(對(duì)于5.0V VDD為3.0V)。而T2提供升高橋電壓到希望值所需的額外電流。因?yàn)樘幱陉P(guān)閉狀態(tài)的T2所提供的電流最小，所以，RSUPP值應(yīng)該是適合最低橋電壓的要求。T2的最大電流(在4.0V VBDR為2mA)決定所允許的最大橋電壓調(diào)節(jié)。此電路對(duì)于具有相當(dāng)?shù)蜏囟认禂?shù)靈敏度(TCS)、不需要明顯橋電壓調(diào)節(jié)的橋傳感器是有用的。

　　由RSUPP溫度系數(shù)所引起的靈敏度影響由U1的反饋調(diào)節(jié)補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為保證一個(gè)足夠的驅(qū)動(dòng)電流容限，必須考慮RSUPP的最大和最小功率。

　　MAX1452靈活的橋激勵(lì)方法為用戶(hù)提供了相當(dāng)大的設(shè)計(jì)自由度。本文集中討論了帶和不帶電流激勵(lì)的電壓驅(qū)動(dòng)情況，它還可以實(shí)現(xiàn)很多其他橋驅(qū)動(dòng)配置。其他設(shè)計(jì)考慮包括控制回路用外部溫度傳感器，將輸出信號(hào)饋入此回路實(shí)現(xiàn)傳感器線性化(即測(cè)量參量的線性化)。■