基於惠斯頓電橋的壓力傳感器

許多壓力傳感器使用微機電係統(MEMS)技術，它們由4個ge采cai用yong惠hui斯si頓dun電dian橋qiao結jie構gou連lian接jie的de壓ya敏min電dian阻zu組zu成cheng。當dang這zhe些xie傳chuan感gan器qi上shang沒mei有you壓ya力li時shi，橋qiao中zhong的de所suo有you電dian阻zu值zhi都dou是shi相xiang等deng的de。當dang有you外wai力li施shi加jia於yu電dian橋qiao時shi，兩liang個ge相xiang向xiang電dian阻zu的de阻zu值zhi將jiang增zeng加jia，而er另ling兩liang個ge電dian阻zu的de阻zu值zhi將jiang減jian小xiao，而er且qie增zeng加jia和he減jian小xiao的de阻zu值zhi彼bi此ci相xiang等deng。

遺憾的是，事情並非如此簡單，因為傳感器存在偏移和增益誤差。偏移誤差是指沒有壓力施加於傳感器時存在輸出；增益誤差指傳感器輸出相對於施加於傳感器外力的敏感程度。典型傳感器一般規定激勵電壓為5V
，具有20mV/V的標稱滿刻度輸出。這意味著在激勵電壓為5V時
，標稱滿刻度輸出為：20 mV/V × 5 V = 100 mV.

偏移電壓可能是2mV，或滿刻度的2%；最小和最大滿刻度輸出電壓可能是50mV和150mV，或標稱滿刻度的±50%。

假設兩個電阻串聯形成電阻串，由於是等值電阻，因此兩電阻間的節點電壓是電阻串電壓的一半。如果一個電阻值增加1%，另一個電阻減小1%，那麼兩個電阻節點處的電壓將改變1%。如果將兩個電阻串進行並聯
，如圖1所示，左邊下方的電阻和右邊上方的電阻阻值均減小1%
，另外兩個電阻增加1%，那麼兩個“中”點間的電壓將從零差值變為改變2%。兩個並行分支的這種配置就被稱為惠斯頓橋。

 
圖1：受激勵電壓VEX和差分輸出電壓V驅動的惠斯頓橋

如ru果guo不bu了le解jie偏pian移yi以yi及ji傳chuan感gan器qi輸shu出chu電dian壓ya和he壓ya力li之zhi間jian的de真zhen實shi關guan係xi，我wo們men就jiu隻zhi能neng粗cu略lve估gu計ji施shi加jia於yu傳chuan感gan器qi上shang的de壓ya力li大da小xiao。這zhe意yi味wei著zhe需xu要yao采cai樣yang校xiao準zhun的de方fang法fa來lai獲huo得de更geng好hao的de精jing度du。

xingyundeshi
，geidingchuanganqidepianyihemankeduwuchasuishijianbianhuaxiangdangwending，yinciyidanchuanganqidedaoxiaozhun，zaigaichuanganqishengmingqineikenengwuxugaibianxiaozhunxishujiunengmanzujingduyaoqiu。dangran，zaimeicishangdianshitongchangxuyaozaicixiaozhunxitong。

基本信號調節電路由一個儀表放大器和一個模數轉換器(ADC)組成。儀表放大器將來自傳感器的小輸出電壓放大到適合ADC的電平，然後由ADC將放大後的傳感器輸出電壓轉換為數字式，再交給控製器或DSP處理(圖2)。儀表放大器可以用來避免橋過載

，而這種過載會改變傳感器輸出電壓值。

 
圖2：基本壓力傳感器調節電路

傳感器的滿刻度輸出即最大輸入，能夠在放大器輸入端看到。當傳感器輸出處於滿刻度時，ADC輸入應該接近其滿刻度值，這個值通常就是ADC的參考電壓VREF。放大器要求的增益大小為：

 

其中VREF代表ADC的參考電壓，“Sensor FS”是傳感器的滿刻度輸出值。假設電阻完美匹配，那麼儀表放大器的增益等於：

 

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需要解決的挑戰

如前所述
，關於傳感器有兩大挑戰需要解決：首先是傳感器具有輸出偏移，這個偏移可以在圖2中的VOFF點加合適的電壓進行調整
，或者在傳感器輸出被數字化後用軟件消除。如果用軟件處理
，那麼VOFF就變成0伏。

yongruanjianxiaochupianyidewentizaiyu，xianzhilekeceliangdechuanganqifanwei。ruguopianyishizhengde，jiangxianzhikeyiceliangdezuidachuanganqishuchu
，yinweifangdadechuanganqishuchukenengbiqiwangdegengzaodadaoADC滿刻度值。如果偏移是負的，將無法精確測量很小的傳感器輸出電平，因為在超過放大的偏移值之前，ADC輸出代碼不會高過零值。

第二個挑戰是可能針對傳感器滿刻度輸出的輸出電壓值範圍。例如，標稱滿刻度輸出電壓為100mV的傳感器可能有這樣一個指標
，它表明了這種滿刻度輸出低至50mV和高至150mV的可能性。

如果滿刻度傳感器輸出低於標稱值，ADC的滿刻度範圍就不會使用。如果滿刻度傳感器輸出超過標稱值，ADC輸出將在傳感器輸出達到其滿刻度之前先達到ADC滿刻度輸出值。此外，如果傳感器輸出或放大器本身有漂移
，那麼在讀數時將存在某種不確定性和不精確性。

幸運的是，目前的傳感器即使有時間漂移也非常小，仔細選擇放大器可以使放大器漂移最小。因此，在製造期間和/或係統上電時，電路增益可以一次調整到位。

達到這個目的的方法之一是使用數模轉換器(DAC)調整ADC參考電壓VREF，以補償傳感器的滿刻度誤差，使用另一個DAC調整圖2中的VOFF以補償偏移誤差。雙通道DAC，如國半的DAXxx2S085（其中“xx”可以是08、10或12，代表DAC分辨率）
，將是這種應用的理想之選。另外一種方法，是在傳感器輸出被數字化後，用軟件校準這些誤差。

解jie決jue這zhe兩liang個ge挑tiao戰zhan的de最zui佳jia方fang案an，是shi在zai製zhi造zao過guo程cheng和he係xi統tong啟qi動dong時shi的de軟ruan件jian校xiao準zhun過guo程cheng中zhong，調tiao整zheng偏pian移yi和he增zeng益yi誤wu差cha。這zhe種zhong方fang法fa允yun許xu用yong軟ruan件jian實shi現xian最zui小xiao誤wu差cha校xiao準zhun，並bing保bao持chiADC的最大可用動態範圍。

第三個問題是，單端ADC通常要求其輸入可以被驅動到非常接近零伏
，以產生零輸出代碼。問題產生的原因是
，用於驅動ADC輸入的放大器不能產生低於50mV左右的輸出。即使所所用的放大器具有軌到軌輸出能力，這種現象也很常見。

雖然對某些應用來說，電路無法提供最小的ADC零輸出代碼沒什麼關係
，但對其它應用來說這卻是個問題。對於後者
，解決方案包括：

給驅動單端輸入ADC的放大器提供負電源。

使用既帶正參考電壓又帶負參考電壓的單端ADC，這些參考電壓可以設為比器件地高的值，並相應抵消ADC輸入電壓。

將ADC的地偏置到約100mV。

偏移ADC輸入，丟棄ADC輸出端的一些代碼，用軟件進行調整

使用差分輸入ADC。

驅動ADC的de放fang大da器qi使shi用yong負fu電dian源yuan有you個ge缺que點dian
，即ji係xi統tong中zhong可ke能neng沒mei有you負fu電dian源yuan，而er單dan為wei這zhe個ge放fang大da器qi提ti供gong一yi個ge負fu電dian源yuan又you似si乎hu不bu太tai可ke行xing。對dui此ci
，國guo半ban公gong司si的de開kai關guan電dian容rong電dian壓ya反fan向xiang器qiLM2787提供了一種簡單的解決方案。

所有ADC都有一個正參考電壓和一個負參考電壓。這兩個參考電壓之間的差值就是所謂的ADC“參考電壓”。負參考和正參考電壓分別定義了輸入最小和最大電壓。遺憾的是
，目前許多ADC內部將負參考電壓定義為器件地，這是為了將ADC集成在具有更少外部引腳的更小封裝中而作出的犧牲。

提高ADC的de地di電dian平ping通tong常chang不bu是shi件jian容rong易yi的de事shi。將jiang它ta偏pian置zhi得de太tai高gao可ke能neng會hui出chu現xian輸shu出chu接jie口kou問wen題ti，因yin為wei器qi件jian的de邏luo輯ji低di電dian平ping將jiang比bi地di偏pian置zhi值zhi高gao出chu一yi些xie。然ran而er
，這zhe樣yang做zuo與yu將jiangADC負參考電壓定義為低值(也許70mV至100mV)具有相同的效果。

增加ADC偏移對ADC滿刻度輸入值作合適調整是一種可行的方法，但會降低ADC使用的動態範圍。相當於提供圖2所示的正VOFF，減少放大器增益，以便ADC輸入不超過ADC參考電壓
，並對ADC輸出代碼進行軟件調整。

結語

使用差分輸入ADC是一種最好的方法，它能獲得ADC零輸出代碼，在ADC輸入端的整個輸入電壓範圍內保持良好的電路線性，並且無需在係統中使用負電壓。在這種方法中，差分放大器的輸出反饋到ADC的差分輸入端，無需差分到單端放大器電路。因此這是一種既簡單又不失高效的完美解決方案。