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-ΔADC,當(dāng)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(diǎn)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
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(dāng)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行
校正,以補(bǔ)償器件之間的差異和溫度漂移。長期以來,校準(zhǔn)都是通過模擬電路進(jìn)行的。然而,現(xiàn)代電子學(xué)的進(jìn)展使得數(shù)字校準(zhǔn)比模擬校準(zhǔn)更具成本效益,而且其準(zhǔn)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(zhǔn)。
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(jìn)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(zhǔn)時都要對VOUT、VB和T進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)源和
