优化的电压驱动 硅应变计和ADC的一些特性允许图1电路进一步简化。从式1可以看出,电桥输出与供电电压(VB)直接成正比。具有这种特性的传感器称为比例传感器。式5为适用于所有具有温度相关误差的比例传感器的通用表达式。在式1中,将VB右边的所有部分用通用表达式f(p,t)代替便是式5。这里,p是被测物理量的强度,而t则为温度。
式5: VOUT = VB x (p,t) ADC也具有比例属性,它的输出与输入电压和参考电压的比直接成比例。式6描述了一般的ADC的数据读取值(D)与输入信号(Vs)、参考电压(VREF)、满量程读数(FS)、以及比例因子(K)之间的关系。该比例因子与具体的转换器架构以及内部放大倍数有关。
式6: D = (Vs/VREF)FS x K
将式6中的Vs用式5中的VOUT表达式代换,ADC对于性能的影响就会显现出来。结果见式7:
式7: D = (VB/VREF) x (p,t) x FS x K 由式7可见,对于测量结果而言,更为重要的是VB和VREF的比值,而非它们的绝对值。因此,图1电路中的电压基准源可以不用。ADC的参考电压可以取自一个简单的电阻分压器,只要保持恒定的VB / VREF之比即可。这一改进不仅省去了电压基准,也免去了对VB的测量,以及补偿VB变化所需的所有软件。这种技术适用于所有比例传感器。RT和R1串联构成的温度传感器也是比例型的,因此,温度检测也不需要电压基准。该电路如图2所示。 [imga]../../upload/2006/04/24/102852.gif[/imga]
图2. 比例测量电路示例。压力传感器的输出、RTD电压、以及ADC参考电压均与供电电压直接成正比。该电路无需绝对电压基准,同时简化了确定实际压力时所必需的计算。
图3电路中,在电桥低压侧串联一个电阻(R1),从而得到一个温度相关电压。增加这个电阻会减小电桥电压,从而减小其输出。减小的幅度一般不是很大,况且只需略微增加增益或减小参考电压就足以对其加以补偿。式8可用于计算R1的保守值。对于大多数应用,当R1小于RB / 2时,电路能很好地工作。
式8: R1 = (RB x VRES) / (VDD x TCR x TRES - 2.5 x VRES)
这里,RB是传感器电桥的输入电阻,VRES是ADC的电压分辨率,VDD是供电电压,TCR为传感器电桥的电阻温度系数,而TRES是所期望的温度分辨率。 [imga]../../upload/2006/04/24/102941.gif[/imga] 图3. 用电桥输出测量压力和用电桥电阻测量温度的比例电路实例
继续上述实例并假定希望得到0.05°C的温度分辨率,R1 = (4.5k x 30µV/count) / (((5V x 1200ppm/°C x 0.05°C/count) - 2.5) x 30µV/count) = 0.6k。由于R1小于RB的一半,这一结果是有效的。在该例中,R1的增加使VB下降12%。在选择转换器时,可以将17.35位的分辨率要求向上舍入为18位。增加的分辨率用于补偿VB降低的影响绰绰有余。 温度上升时,电桥电阻的上升使电桥上的电压降也上升。这种VB随温度的变化形成了一个附加的TCS项。正好该值为正值,而传感器的固有TCS值是负数,这样,将一个电阻与传感器串联实际会减小未经补偿的TCS误差。上面的校准技术仍然有效。只是需要补偿的误差略小了一些。
电流驱动 有一类特殊的压阻式传感器被称为恒流传感器或电流驱动传感器。这些传感器经过特殊处理,当它们采用电流源驱动时,灵敏度在温度变化时保持恒定(TCS 0)。电流驱动传感器经常增加附加电阻,可以消除或者显著降低偏移误差和OTC误差。这实际上是一种模拟的传感器校准技术。这可以将设计者从繁杂的工作中解放出来,不必对每个传感器在不同温度和压力下进行测量。这种传感器在宽温范围内的绝对精度通常不如数字校准的传感器好。数字技术仍然能用于改善这些传感器的性能,通过测量电桥上的电压很容易获得温度信息,其灵敏度通常大于2000ppm/°C。图4所示是一种电流驱动的电桥电路。该电路使用同一个电压基准源来建立恒定电流和为ADC提供基准电压。 [imga]../../upload/2006/04/24/103133.gif[/imga] 图4. 该电路使用了一个电流驱动传感器,采用传统的电流源电路驱动
省去电流源 理解了电流驱动式传感器如何对STC进行补偿,就可以采用图5电路在不带电流源的情况下达到与图4电路相同的效果。电流驱动传感器仍具有一个激励电压(VB),只是VB并不固定于电源电压。VB由电桥阻抗和流过电桥的电流来决定。如前所述,硅电阻具有正温度系数。这样,当电桥由电流源供电时,VB将随温度的升高而增加。如果电桥的TCR (阻抗温度系数)与TCS幅值相等而符号相反,那么,VB将随着温度以适当的比率增加,对灵敏度的降低进行补偿。在某个有限的温度范围内,TCS将接近零。 [imga]../../upload/2006/04/24/103207.gif[/imga]
图5. 此电路采用电流驱动传感器,但无需电流源和电压参考
从式8出发,将其中的VB用IB x RB来代换,即可得到图4电路中的ADC输出方程。可得到公式9,其中,RB是电桥的输入电阻,IB是流经电桥的电流。
式9: D = (IB x RB /VREF) x f(p,t) x FS x K
图5电路能够提供与图4电路相同的性能,而不需要电流源或电压参考。这可以通过比较两个电路的输出来说明。图5中的ADC输出可由式7出发得到,将其中的VB和VREF替代为相应的表达式即可。结果如式10:
重复式7: D = (VB / VREF) x f(p,t) x FS x K
对于图5电路: VB = VDD x RB / (R1 + RB)
和VREF = VDD x R1 / (R1 + RB)
将它们代入等式7可得到式10:
式10: D = (RB /R1) x f(p,t) x FS x K 如果选择R1等于VREF / IB,那么式5和式6是完全相同的,这就表明,图5电路也会得出和图4电路相同的结果。为了得到相同的结果,R1必须等于VREF / IB,但这不是温度补偿所要求的。只要RB乘以一个温度无关的常数,就可以实现温度补偿。R1可选择最适合于系统要求的电阻值。