傳感器的電氣特性對(duì)ADC性能的影響

要想實(shí)現(xiàn)精確的電橋測(cè)量，需要考慮的一個(gè)重要因素是傳感器的電氣特性對(duì) ADC 性能的影響。下表顯示了典型負(fù)載單元中使用的電阻式電橋的通用規(guī)格表。其中FS表示滿量程。

其中許多特性的誤差是可以校準(zhǔn)的，而其他誤差必須添加到總誤差預(yù)算中。以下簡(jiǎn)要介紹表上中的一些較為重要的電氣特性，因此并不涵蓋所有特性。

電橋靈敏度

電橋靈敏度指的是施加最大負(fù)載時(shí)每伏激勵(lì)電壓 VEXCITATION 的最大預(yù)期輸出電壓。典型電橋負(fù)載單元的靈敏度為 1mV/V 至 3mV/V，例如表 4-1 中的電橋，其靈敏度為2mV/V。該值表示，VEXCITATION 每增加 1V，電橋輸出將增加2mV。例如，在施加最大負(fù)載的情況下，用5V電壓激勵(lì)此電橋可產(chǎn)生 10mV 的最大電橋輸出。 這個(gè)10mV輸出電壓也是 ADC 測(cè)得的最大差分輸入電壓。使用該值可以確定需要多大的增益才能增加測(cè)得的輸入信號(hào)并提高ADC滿量程范圍的利用率。許多ADC都包含可編程增益放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。

電橋電阻

電橋具有不同的標(biāo)稱電阻值，但120Ω、350Ω 和 1000Ω 最常見(jiàn)。較低的電橋電阻也可能需要很大的電流才能驅(qū)動(dòng)。例如，使用VEXCITATION = 5V 驅(qū)動(dòng)350Ω電橋需要 14.3mA 電流。這可能比測(cè)量電路（包括ADC和放大器）消耗的電流大很多。實(shí)際上，電橋的功耗可能是系統(tǒng)功耗預(yù)算中最大的一部分。此外，這個(gè)較大的激勵(lì)電流可與激勵(lì)路徑中的任何寄生電阻產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致電橋上的實(shí)際電壓與ADC測(cè)得的基準(zhǔn)電壓不匹配。通過(guò)使用六線電橋，可以消除此誤差。

輸出共模電壓

通常，當(dāng)AVDD = VEXCITATION時(shí)，所需的電橋輸出共模電壓是ADC電源 AVDD 的 1/2。這是 ADC的理想共模輸入電壓，并可實(shí)現(xiàn)最大增益。 有些系統(tǒng)使用大于 AVDD 的 VEXCITATION。如果是這樣，電橋輸出共模電壓可能會(huì)與ADC輸入共模范圍不匹配。 例如，為了盡可能提高傳感器輸出而選擇 VEXCITATION= 10V ，會(huì)將電橋共模電壓設(shè)置為 5V。如果ADC的 AVDD = 5V，則此測(cè)量可能非常接近 ADC 輸入范圍限值。此外，用于放大電橋輸出的高增益放大器通常會(huì)將共模輸入范圍限制為遠(yuǎn)低于AVDD，因此需要替代解決方案。后面的文章中有VEXCITATION> AVDD 時(shí)適應(yīng)電橋配置的電路。

失調(diào)電壓

理想電橋輸出應(yīng)該是在未施加負(fù)載的情況下為0V。但實(shí)際上電橋在未施加負(fù)載的情況下具有非零輸出。此誤差是使負(fù)載響應(yīng)向上或向下平移的失調(diào)電壓，如下圖所示。

失調(diào)電壓可能有各種來(lái)源。制造容差可能導(dǎo)致電橋元件之間的標(biāo)稱電阻不同。即使在未施加負(fù)載的情況下，這也會(huì)導(dǎo)致固有的失調(diào)電壓誤差，通常會(huì)在傳感器數(shù)據(jù)表中指定。 在傳感器外部，電橋連接中的寄生熱電偶可能會(huì)產(chǎn)生隨溫度變化的微小失調(diào)電壓。此外，與電橋?qū)Ь€電阻或任何ADC輸入濾波電阻相互作用的ADC輸入偏置電流也可能產(chǎn)生微小的失調(diào)電壓。 無(wú)論是什么失調(diào)電壓源，都可以使用數(shù)字方式或其他有源電路方法（例如交流激勵(lì)）將失調(diào)電壓輕松歸零，從而校準(zhǔn)該誤差。

滿量程誤差

滿量程誤差或增益誤差是消除失調(diào)電壓后負(fù)載條件下的實(shí)際和理想電橋測(cè)量響應(yīng)之間的斜率差異。上圖給出了滿量程誤差的一個(gè)示例。滿量程誤差的來(lái)源包括比例式測(cè)量中的導(dǎo)線阻抗或來(lái)自 ADC的固有增益誤差。此外，電橋靈敏度容差可能會(huì)改變負(fù)載與輸出電壓曲線的斜率，并導(dǎo)致誤差。例如，上表中給出的±15%容差可以使典型2mV/V 電橋靈敏度跨越 1.7mV/V 至 2.3mV/V 的范圍。假設(shè) VEXCITATION = 5V，理想的電 橋最大輸出信號(hào)為 2mV/V ? 5V = 10mV。但實(shí)際電橋最大輸出信號(hào)的范圍可能是 8.5mV（負(fù)誤差）至 11.5mV（正誤差）。 幸運(yùn)的是，滿量程誤差是一種測(cè)量增益誤差，通?？梢詫?duì)照已知輸入來(lái)測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

非線性誤差和遲滯

非線性誤差是指隨著電橋輸出的增加，輸出曲線與預(yù)期滿量程直線輸出的偏差。此非線性由電橋電阻式元件的特性所致。例如，電阻式電橋元件超過(guò)特定范圍或負(fù)載時(shí)，可能具有更強(qiáng)的非線性。電橋數(shù)據(jù)表通常會(huì)表征非線性并建議限制最大負(fù)載以使非線性保持在較低水平。

與非線性誤差相似，遲滯是隨電橋輸出而變化的小誤差。不過(guò)，此誤差可能會(huì)不同，具體取決于電橋輸出是提高還是降低。遲滯與非線性誤差加在一起稱為組合誤差。組合誤差是在從空載到最大負(fù)載條件（提高和降低）范圍 內(nèi)相對(duì)于直線的最大誤差。下圖以圖形方式顯示了非線性誤差、遲滯和組合誤差。

非線性誤差和遲滯不容易校準(zhǔn)。這些誤差可能因裝置的不同而不同，因此校準(zhǔn)需要在電橋的整個(gè)工作范圍內(nèi)進(jìn)行 許多次測(cè)量。不過(guò)，這些誤差一般比失調(diào)電壓和滿量程誤差小得多。另外值得注意的是，ADC可能會(huì)導(dǎo)致非線性 誤差，但與電橋非線性誤差相比，該誤差一般可以忽略不計(jì)。

漂移

上表中所示的許多參數(shù)都是在一個(gè)溫度下指定的，該溫度通常為 25°C。漂移誤差指定這些參數(shù)如何在某個(gè)溫度范圍內(nèi)變化。一種常見(jiàn)的漂移誤差是失調(diào)電壓漂移，指的是電橋初始失調(diào)電壓隨溫度的變化。另一種常見(jiàn)的漂移誤差是滿量程漂移，指定電橋輸出斜率如何隨溫度變化。同樣，ADC本身具有影響測(cè)量精度的漂移特性。失調(diào)電壓和增益漂移誤差通常以%FS/°C 為單位表 示，但也可能使用其他單位。由于非線性或不同的極性，溫度漂移可能很難進(jìn)行補(bǔ)償。此外，精確校準(zhǔn)這些誤差可能需要在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的不同點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。在設(shè)計(jì)任何電橋測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，重要的是確定工作溫度范圍并計(jì)算漂移可能導(dǎo)致的預(yù)期系統(tǒng)誤差。

蠕變和蠕變恢復(fù)

蠕變是指在已施加負(fù)載但所有其他環(huán)境因素不變的情況下電橋輸出的變化。負(fù)載單元在負(fù)載下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后可能會(huì)產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致蠕變。蠕變恢復(fù)是指在取消負(fù)載條件后電橋輸出的變化。這兩種誤差都是在給定時(shí)間段內(nèi)的額定值，可能包含在電橋數(shù)據(jù)表中。不過(guò)，這些誤差與ADC測(cè)量本身沒(méi)有關(guān)系。與某些其他參數(shù)類似，蠕變和蠕變恢復(fù)是無(wú)法進(jìn)行校準(zhǔn)的誤差。產(chǎn)生的影響必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤差預(yù)算之內(nèi)。

審核編輯：湯梓紅