【導(dǎo)讀】大多數(shù)傳感器本質(zhì)上都是模擬的，因此必須數(shù)字化后才可用于當(dāng)前的電子系統(tǒng)中。這篇應(yīng)用筆記的內(nèi)容涵蓋了比率傳感器的基本原理及其與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的配合使用。尤其是，本文還將說(shuō)明如何利用傳感器和ADC的比率特性來(lái)提高精度，同時(shí)減少元件數(shù)目，降低成本，節(jié)省電路板空間。
大多數(shù)傳感器本質(zhì)上都是模擬的，因此必須數(shù)字化后才可用于當(dāng)前的電子系統(tǒng)中。這篇應(yīng)用筆記的內(nèi)容涵蓋了比率傳感器的基本原理及其與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的配合使用。尤其是，本文還將說(shuō)明如何利用傳感器和ADC的比率特性來(lái)提高精度，同時(shí)減少元件數(shù)目，降低成本，節(jié)省電路板空間。
注：本文中所說(shuō)的比率特性是指器件輸出與待測(cè)量和其他電壓或電流的比例有關(guān)。
傳感器和阻性檢測(cè)元件
許多傳感器的輸出與其電源電壓都是成比例的。這通常是因?yàn)楫a(chǎn)生輸出的感應(yīng)元件是比率器件。最常見(jiàn)的比率元件是電阻器，其阻值隨被測(cè)量的變化而變化。電阻式溫度檢測(cè)器(RTD)和應(yīng)變計(jì)都是典型的阻性敏感元件。
阻性元件的比率性是由于其阻抗不能直接測(cè)量。其值是由電阻兩端的電壓與經(jīng)過(guò)電阻的電流的比值確定的。
R = V/I 公式1 (歐姆定理)
使用阻性元件的傳感器通常令一個(gè)電流流過(guò)電阻并測(cè)量其電壓。在輸出傳感器之前，可以將該電壓進(jìn)行放大或電平偏移，但是其大小仍然與流過(guò)電阻的電流相關(guān)。如果該電流來(lái)自于電源電壓，那么傳感器的輸出與電源電壓成比例。公式2描述了這類比例傳感器的輸出(圖1)，其中Vs是輸出信號(hào)，Ve是激勵(lì)電壓，S是傳感器的靈敏度，P是所測(cè)參數(shù)的量值，C是傳感器的失調(diào)量。
Vs = Ve (P x S + C) 公式2
圖1. 比例型傳感器
Honeywell?[1] MLxxx-C系列壓力傳感器是眾多汽車(chē)比例傳感器中具有代表性的器件。當(dāng)在5V標(biāo)稱電源電壓下工作時(shí)，失調(diào)電壓為0.5V，滿量程輸出為4.5V。如果改變激勵(lì)電壓，失調(diào)電壓和滿量程輸出會(huì)隨之按比例變化。
需要知道激勵(lì)電壓才可使用輸出信號(hào)，這在許多應(yīng)用中是很不方便的。為了解決這一問(wèn)題，制造商在電路上增加了一個(gè)電壓基準(zhǔn)。這種器件可提供非常精確的電壓，并與溫度和電源電壓無(wú)關(guān)。如果流經(jīng)感應(yīng)電阻的電流來(lái)自于基準(zhǔn)電壓，那么公式2中的Ve可用一個(gè)常數(shù)替換。從而得到公式3，其中的新常數(shù)包含在S2和C2之中。
Vs = P x S2 + C2 公式3
因?yàn)檩敵鲂盘?hào)僅為被測(cè)參數(shù)的函數(shù)，所以公式3不是比例關(guān)系。Honeywell公司的MLxxx-R5系列壓力傳感器就是非比例傳感器。當(dāng)在7V和35V之間的任何電源電壓下工作時(shí)，失調(diào)都是1V，滿量程輸出為6V。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與阻性器件
用于將傳感器信號(hào)數(shù)字化的ADC也是比例器件。無(wú)論其內(nèi)部架構(gòu)如何，所有ADC都是通過(guò)對(duì)未知輸入電壓與已知參考電壓相比較來(lái)工作的。轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化輸出是輸入電壓與參考電壓的比值乘以ADC的滿量程讀數(shù)?？紤]到內(nèi)部放大和設(shè)計(jì)的多樣性，還需要一個(gè)比例因子K。無(wú)論K值大小，只要ADC的配置未改變，K值都保持固定不變。公式4描述了一個(gè)普遍意義上的ADC (圖2)的數(shù)字讀數(shù)(D)和輸入信號(hào)(Vs)，參考電壓(Vref)，滿量程讀數(shù)(FS)以及比例因子(K)間的關(guān)系。
D = (Vs/Vref)FS x K 公式4
圖2. 普遍意義上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器
參考電壓的與ADC的具體設(shè)計(jì)有關(guān)。在一些ADC中參考電壓是電源電壓，而在另一些ADC中參考電壓來(lái)自于內(nèi)部基準(zhǔn)源，在其他設(shè)計(jì)中，用戶必須將參考電壓連接至ADC的Vref輸入端。如果使用了內(nèi)部或外部電壓基準(zhǔn)，使參考電壓成為一個(gè)衡定值，則公式4可簡(jiǎn)化為公式5，其中K2是一個(gè)新的常數(shù)，其值為FS x K/Vref。
D = Vs x K2 公式5
傳感器的測(cè)量
由一個(gè)非比例傳感器和具有固定參考電壓的ADC組成的小系統(tǒng)的輸出可通過(guò)將公式3 (傳感器的輸出)中的Vs (ADC的輸入)代入公式5中得到。如公式6所示。
D = P x S2K2 + C2K2 公式6
公式6給出了所需的確切關(guān)系。數(shù)字量值(D)大小與P的變化成比例，并且僅受P改變的影響。D不受溫度和電源電壓變化的影響。
省去電壓基準(zhǔn)
利用電壓基準(zhǔn)穩(wěn)定傳感器和ADC是一種有效且必要的技術(shù)。然而，并非總是最好的技術(shù)。
本文的其余部分將討論如何創(chuàng)造性地利用ADC的參考電壓輸入，從而省去許多傳感器電路中的電壓基準(zhǔn)和電流源。這種設(shè)計(jì)節(jié)省了元件成本、電路板空間以及電壓“凈空”。由于省去了電壓基準(zhǔn)，非理想基準(zhǔn)相關(guān)的誤差也不復(fù)存在，因此精度也有所改善。這種技術(shù)已在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用多年。傳感器和ADC與電源電壓的比例關(guān)系一經(jīng)確定，便無(wú)需精確的電壓基準(zhǔn)。
與之相似的采用電流驅(qū)動(dòng)傳感器和單元件阻性傳感器(如RTD)的技術(shù)已不常用了。這些電路中ADC的靈敏度會(huì)隨溫度或電源電壓的變化而變化。雖然如此，ADC和傳感器輸入的組合還是相當(dāng)穩(wěn)定的。
與電源電壓成比例的傳感器
將公式2中的輸入信號(hào)(Vs)代入公式4，便可得到測(cè)量比例傳感器時(shí)ADC的輸出。得出公式7，該公式表示：D是P，Ve和Vref的函數(shù)。
D = P(S x FS x K x Ve/Vref) + C(FS x K x Ve/Vref) 公式7
乍一看，公式7中的方法似乎并不理想，因?yàn)檩敵?D)是三個(gè)變量的函數(shù)，而并非僅僅是P的函數(shù)。然而，仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)：Ve/Vref的比 值是非常重要的，單獨(dú)的數(shù)值并無(wú)太多意義。如果Ve和Vref電壓來(lái)自同一個(gè)電源，則很容易得到恒定的Ve/Vref比值。一旦這樣的話，D 將與P的變化成比例，并且只與P的變化有關(guān)。設(shè)Ve/Vref比值為一個(gè)常數(shù)，公式7可簡(jiǎn)化為與公式6相似的形式。因此，這就說(shuō)明無(wú)需電壓基準(zhǔn)也能實(shí)現(xiàn)相同的性能。
從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，Ve和Vref必須足夠大，這樣才能避免噪聲干擾;同時(shí)Ve和Vref還必須處于ADC和傳感器所指定的范圍內(nèi)。用正電源電壓作為Ve和Vref的電壓源通?？梢詽M足上述要求，并且允許為大量并聯(lián)的傳感器供電，如圖3[2]所示。
圖3中MAX1238的前端有一個(gè)12輸入的多路復(fù)用器，且內(nèi)置一個(gè)電壓基準(zhǔn)。在這種情況下，雖沒(méi)有與ADC基準(zhǔn)有關(guān)的附加成本，但是如要給10個(gè)傳感器中的每個(gè)都增加基準(zhǔn)則會(huì)使成本明顯增加。 MAX1238還允許AN11輸入作為參考電壓。將AN11作為參考輸入并將其連接至5V電源，可設(shè)置ADC的滿量程輸入為5V，并便于與比例型傳感器配合使用。在圖3中，MAX1238的內(nèi)部參考電壓并非閑置?？捎密浖刂苾?nèi)部電壓基準(zhǔn)并用于診斷，如測(cè)量電源電壓。可通過(guò)連接到輸入AN10的分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖3. MAX1238 ADC允許AN11輸入作為參考電壓，因此，ADC可與比例傳感器配合使用。
圖3的拓?fù)浞浅＿m合汽車(chē)應(yīng)用和那些由單電源供電，供電線路上壓降很小的應(yīng)用。并不適合那些工作中必須使用長(zhǎng)導(dǎo)線的傳感器或者是 ADC和傳感器由不同電源供電的應(yīng)用。
電流驅(qū)動(dòng)的電橋
在低噪聲環(huán)境或者系統(tǒng)中，若壓力傳感器緊挨ADC放置，可能沒(méi)有必要使用帶信號(hào)放大的傳感器。在這些應(yīng)用中，低成本橋式輸出傳感器更適合。為了降低傳感器成本，同時(shí)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供良好的性能，許多此類壓力傳感器，如Nova Sensor公司的NPI-19系列[3]都是由電流源供電而不是電壓源供電。(更詳細(xì)的論述請(qǐng)參見(jiàn)附錄1)。公式8給出了這種電流驅(qū)動(dòng)的傳感器的輸出，其中Ie是激勵(lì)電流。
Vs= Ie (S x P+C) 公式8
圖4給出了一個(gè)常用于橋式輸出傳感器的電流源。該電流源由一個(gè)低溫度系數(shù)電阻，一個(gè)運(yùn)算放大器及一個(gè)電壓基準(zhǔn)組成。如果ADC和壓力傳感器整合于一個(gè)部件中，則電流源的電壓基準(zhǔn)也可為ADC提供參考電壓。在圖4的電路中，電壓基準(zhǔn)同時(shí)被用來(lái)穩(wěn)定傳感器和ADC，使它們不受變化的溫度和電源電壓的影響。
圖4. 該設(shè)計(jì)中電流驅(qū)動(dòng)傳感器的電流源由一個(gè)電阻，一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)電壓基準(zhǔn)組成。
與圖4類似的另一種方法如圖5所示的電路，無(wú)需電流源或電壓基準(zhǔn)。需要注意的是：雖然傳感器和ADC的組合在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都很穩(wěn)定，但是ADC和傳感器都具有很大的溫漂。如果單獨(dú)測(cè)量，傳感器的靈敏度將隨溫度的升高而降低，而ADC的靈敏度則升高。由于在整個(gè)溫度范圍內(nèi)ADC輸出不是穩(wěn)定的，所以將該方法用于ADC有多路輸入的電路時(shí)必須特別小心。
圖5. 傳感器和ADC組合的另一種設(shè)計(jì)方法，無(wú)需獨(dú)立的電流源或電壓基準(zhǔn)。
從圖5可以得出公式9：
Vref = Ie x R1 公式9
將公式9中的Vref和公式8中的Vs代入上述ADC的公式4 ，得出公式10。
D = [Ie (S x P+C)/(Ie x R1)](FS x K) 公式10
因?yàn)榉肿雍头帜钢泻屑?lì)電流(Ie)，因此可消去。由此可得到公式11，表示輸出與激勵(lì)電流無(wú)關(guān)。如果將公式11中的常數(shù)項(xiàng)合并，將再次得出與公式6等效的公式：帶有電壓基準(zhǔn)的系統(tǒng)。
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