設計示例 - 如何在對電橋傳感器進行電路設計時避免陷入困境

　　假設有一個單電源電橋放大器，如圖 4 所示，其中，用 3.3 V 電壓來激勵電橋并驅(qū)動放大器。滿量程電橋輸出為±15 mV，失調(diào)可能處于±25-mV 的范圍。為了取得所需靈敏度，放大器增益需為 100，ADC 的輸入范圍為 0 V 至 3.3 V。由于電橋的輸出可以為正，也可以為負，因此，其輸出指向中間電源或 1.65 V。只需通過施加 100 的增益，失調(diào)本身即會強制使放大器輸出處于–0.85 V 至+4.15 V 的范圍內(nèi)，這超過了電源軌。

　　這個問題可通過圖 5 所示的電路來解決。電橋放大器A1 是一個像AD8237 一樣的ICF儀表放大器。放大器A2，帶R4 和R5，將 A1 的零電平輸出設為中間電源。 AD5601 8 位DAC對輸出進行調(diào)整，通過RA使電橋失調(diào)為 0。然后，放大器的輸出由 AD7091 微功耗 12 位ADC數(shù)字化。

　　圖 5 針對單電源工作模式而修改的失調(diào)移除電路

　　從表1可以發(fā)現(xiàn)， 增益為101時， R1和R2 需為1 k?和100 k?。電路包括一個可以在 0 V 至 3.3 V 范圍內(nèi)擺動，或者在 1.65V 基準電壓左右擺動±1.65 V。為了計算 RA 的值，我們使用等式 （6）。其中，VA（MAX） = 1.65 V 且 VIN（MAX） = 0.025 V， RA = 65.347 kΩ。當電阻容差為 1%時，最接近的值為 64.9 k?。然而，這沒有為源精度和溫度變化導致的誤差留下任何裕量，因此，我們選擇一個常見的 49.9-k? 低成本電阻。這樣做的代價是調(diào)整分辨率降低了，結(jié)果導致略大的調(diào)整后失調(diào)。

　　從等式（7），我們可以算出額定增益值為 103。如果設計師希望得到接近目標值 100 的增益值，最簡單的辦法是使 R2 的值降低 3%左右，至 97.6 k?，結(jié)果對 RA 的值的影響非常小。在新的條件下，額定增益為 100.6。

　　由于DAC可以擺動±1.65 V，因此，總失調(diào)調(diào)整范圍可通過由RA 以及R1和R2的并聯(lián)組合形成的分壓器給定，其計算方法如下：

　　（10）

　　在±25-mV 最大電橋失調(diào)范圍內(nèi)，±32.1-mV 的調(diào)整范圍可提供 28%的額外調(diào)整裕量。對于 8 位 DAC，調(diào)整步長為

　　（11）

　　對于 250-μV 調(diào)整分辨率，輸出端的最大殘余失調(diào)為 12.5 mV。

　　R3 和 C1 c的值可以通過ADC數(shù)據(jù)手冊中的建議值或參考文獻2 來確定。對于采樣率為 1 MSPS 的 AD7091，這些值為 51 ? 和 4.7 nF。在以較低速率采樣時，可以使用較大的電阻或電容組合，以進一步減少噪聲和混疊效應。

　　該電路的另一個優(yōu)勢在于，可以在生產(chǎn)或安裝時完成電橋失調(diào)調(diào)整。如果環(huán)境條件、傳感器遲滯或長期漂移對失調(diào)值有影響，則可重新調(diào)整電路。

　　受其真軌到軌輸入影響，AD8237 最適合采用超低電源電壓的電橋應用。對于要求較高電源電壓的傳統(tǒng)工業(yè)應用，AD8420 不失為一款良好的替代器件。該 ICF 儀表放大器采用 2.7 V 至 36 V 電源供電，功耗低 60%。

　　表 2 是對兩款儀表放大器進行了比較。都使用了最小和最大規(guī)格。有關(guān)更多詳情和最新信息，請參見產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊。

　　表 2 AD8237和 AD8420比較

　　參考文獻

　　1AN212 Application Note. Handling Sensor Bridge Offset. Honeywell International Inc.， Rev 05-05.

　　2HMC1001/HMC1002/HMC1021/HMC1022 1- and 2-Axis Magnetic Sensors Data Sheet. Honeywell International Inc.， 2008.

　　3Kitchin， Charles and Lew Counts. A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers. 3rd Edition. Analog Devices， Inc.， 2006.

　　4NPC-410 Series Data Sheet. GE Sensing， 2006.

　　5Product Training Module. Indirect Current Feedback Instrumentation Amplifier Applications Guide. Digi-Key Corporation.

　　6Walsh， Alan. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue， Volume 46， 2012.

　　作者簡介

Gustavo Castro ［gustavo.castro@analog.com］ 是馬薩諸塞州威明頓市精密信號調(diào)理部門的應用工程師。 2011 年 1 月加入ADI公司之前， 他曾經(jīng)從事數(shù)字萬用表及直流源等高精度儀器儀表設計工作達 10 年。 2000 年，他從墨西哥蒙特利技術(shù)學院獲得電子工程學士學位。他擁有兩項專利。

Scott Hunt ［scott.hunt@analog.com］ 是線性產(chǎn)品部 （馬薩諸塞州威明頓市）的一名產(chǎn)品應用工程師。他獲得倫斯勒理工學院電氣工程學士學位后，于 2011 年加入ADI。Scott專門從事集成精密放大器技術(shù)工作，包括儀表放大器、差分放大器和熱電偶放大器。