橋式傳感器測量通過具有數(shù)字可編程增益和輸出偏移的自動歸零儀表放大器得到增強

基于電阻的電橋電路廣泛用于從測量物理變量（如壓力和力）的傳感器提供電輸出。這些輸出通常很小，因此需要放大才能使其達到測量和控制系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器所需的電平。本文介紹了一種具有極低漂移和許多有用特性的多功能新型IC儀表放大器，并以壓力測量為例，討論了它在解決橋式儀表問題中的作用。

壓力傳感

圖1說明了典型電輸出壓力儀表的功能。壓力是通過機械元件的運動來感知的，例如隔膜、波登管、波紋管和膠囊，所有這些都在施加壓力時偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)會導(dǎo)致應(yīng)變計的電阻發(fā)生變化。

圖1.將壓力轉(zhuǎn)換為電信號。

最流行的壓力傳感器使用惠斯通電阻橋配置中的應(yīng)變計，其中所有四個元件都是可變的（如圖2D所示），從而提供最佳的線性度和靈敏度。當(dāng)對隔膜施加壓力時，橋的兩個量具元件受到張力;另外兩個元素受到壓縮。阻力的相應(yīng)變化是入射壓力的量度。電橋由恒定電壓或電流激勵，產(chǎn)生電信號。

在表壓傳感器技術(shù)的一種形式中，應(yīng)變計元件粘合到金屬膜片上并產(chǎn)生滿量程電阻變化，通常為基本電阻的0.1%量級。當(dāng)對電橋施加恒定電壓或電流時，該范圍內(nèi)的電阻變化會產(chǎn)生線性不平衡，該不平衡以差分電壓（或電流）來測量。在另一項技術(shù)中，半導(dǎo)體應(yīng)變計被粘合到硅隔膜中，并且可以產(chǎn)生更大的響應(yīng) - 在許多情況下約為基電阻的1%。

信號調(diào)理

電橋產(chǎn)生的信號通常很小，并且會受到噪聲、失調(diào)和增益誤差的影響。在對電橋輸出進行數(shù)字化之前，必須對其進行放大，調(diào)整失調(diào)以匹配A/D轉(zhuǎn)換器的跨度，并進行濾波以消除噪聲。雖然圖3所示的信號調(diào)理模塊可以使用運算放大器和分立電路元件構(gòu)建，但儀表放大器已被證明可以節(jié)省器件成本、電路板面積和工程設(shè)計時間。

圖2.具有四個電阻元件的橋接器。

圖3.壓力測量儀表。

在典型的壓力傳感器應(yīng)用中，電阻電橋輸出的差分信號（跨度為數(shù)十或數(shù)百毫伏）與施加的壓力和施加到電橋的激勵電壓成正比。例如，霍尼韋爾 26PC01SMT 系列微結(jié)構(gòu)壓力傳感器具有 ±1.0-psi 的滿量程量程。施加5 V電壓時，零壓力零點偏移為±2 mV，滿量程輸出范圍在±14.7 mV至±18.7 mV范圍內(nèi)，共模電平為2.5 V。為了在高共模電壓存在的情況下準(zhǔn)確分辨出這種小差分輸出電壓，儀表放大器抑制共模信號的能力至關(guān)重要。例如，12位讀出分辨率要求LSB小于10 μV （35 mV/4096），或比共模電平低約101 dB。

手動電橋補償

壓力傳感器中的惠斯通電橋通常進行手動補償，以消除其偏移和量程誤差。這要求儀器制造過程包括調(diào)整偏移、失調(diào)溫度漂移、量程和量程溫度漂移的步驟。圖4所示為一個橋，其中增加了電阻以補償這些誤差。消除這些錯誤既耗時又昂貴。或者，可以通過將來自D/A轉(zhuǎn)換器的可編程直流電壓施加到儀表放大器的基準(zhǔn)引腳來調(diào)節(jié)失調(diào)。失調(diào)校正是必需的，否則失調(diào)會減小ADC的可用動態(tài)范圍。

圖4.手動電橋補償。

壓力傳感器的增益不確定性使得增益調(diào)整成為大多數(shù)基于儀表放大器的系統(tǒng)的要求。傳統(tǒng)上，這是通過增加一個與儀表放大器的外部增益電阻串聯(lián)的微調(diào)電位器來完成的。為了在更寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)更高水平的性能，系統(tǒng)設(shè)計人員轉(zhuǎn)向軟件控制的增益補償。

儀表放大器誤差

圖5顯示了傳感器與信號調(diào)理電路接口時出現(xiàn)的一些典型誤差源。電橋放大器偏置電流流過電橋的輸出電阻。電阻或偏置電流的任何不平衡都會產(chǎn)生失調(diào)誤差。該誤差乘以增益，出現(xiàn)在輸出端。此外，失調(diào)電壓和偏置電流是溫度的函數(shù)。其他需要考慮的重要誤差包括放大器的增益精度、非線性度和噪聲。電橋測量應(yīng)用需要具有低輸入失調(diào)電壓、偏置電流、失調(diào)電壓TC和偏置電流TC的高性能放大器。

圖5.放大器誤差源。

AD8555出手相救

使用壓力傳感器等橋式電路的測量系統(tǒng)設(shè)計將受益于ADI公司的新型零漂移數(shù)字可編程放大器AD8555。其儀表放大器配置采用三個自歸零放大器（A1、A2、A3），如圖6所示。

圖6.AD8555儀表放大器的功能框圖

為了避免傳感器電橋負(fù)載，差分輸入在兩個端子上都具有高阻抗和低偏置電流（V收銀機和 V內(nèi)格).自動歸零技術(shù)通過連續(xù)校正放大器產(chǎn)生的直流誤差，最大限度地降低失調(diào)和失調(diào)漂移。這導(dǎo)致在–10°C至+40°C的溫度范圍內(nèi)最大輸入失調(diào)電壓為125μV，最大漂移僅為65 nV/°C。

增益范圍從70到1280，通過單線串行接口以小于1的步長（分辨率優(yōu)于0.4%）進行編程，方法是分別調(diào)整兩級的增益。在DigiTrim工藝中，通過吹制多晶硅將增益設(shè)置鎖定到位?1熔斷 器。第一級增益通過調(diào)整P4和P00的6位代碼，分40步從128.7降至1.2;第二級增益通過調(diào)整P17和P5的200步8位代碼從3.3設(shè)置至4。在永久固定設(shè)置之前，可以對調(diào)整值進行臨時編程、評估和重新調(diào)整，以獲得最佳校準(zhǔn)精度。

AD8555還具有8位DAC可編程失調(diào)，可用于補償輸入信號中的失調(diào)誤差和/或為輸出信號添加固定偏置。例如，這種偏置用于在單電源環(huán)境中處理雙極性差分信號。輸出失調(diào)電壓的分辨率可設(shè)置為電源軌之間電壓差的0.39%，（在DD–在黨衛(wèi)軍).

和

其中

增益 = （第一級增益） × （第二級增益）

Vdiff是要測量的差分輸入電壓

NDAC 代碼是 DAC 輸入代碼的數(shù)值。

與增益一樣，輸出失調(diào)可以臨時編程、評估和重新調(diào)整;然后可以通過熔斷保險絲來永久設(shè)置。

單電源供電已成為現(xiàn)代傳感器放大器越來越理想的特性。當(dāng)今的許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都由單個低壓電源供電。AD8555采用2.7 V至5.5 V單電源供電。放大器A4的輸出擺幅在任一電源軌的7 mV以內(nèi)。

AD8555放大器中的故障檢測可防止開路、短路和浮動輸入。這些條件中的任何一個都會觸發(fā)一個電路，導(dǎo)致輸出電壓被箝位至負(fù)電源軌（V黨衛(wèi)軍).在V上還可以檢測到短路和浮動條件鉗輸入。利用外部電容，AD8555可以實現(xiàn)一個低通濾波器，以限制其DC至400 kHz輸出頻率范圍。

AD8555在傳感器橋信號調(diào)理中的作用

系統(tǒng)工程師希望所有具有相同部件號的壓力傳感器都具有幾乎相同的性能。通常，現(xiàn)成的傳感器不能以足夠的精度滿足此類要求。實現(xiàn)傳感器之間一致性的一種方法是在制造過程中進行大量修整。如果這些傳感器的行為在整個溫度范圍內(nèi)是可重復(fù)的，那么更好的方法可能是使用新一代可編程放大器來提供補償。

AD8555及其零漂移儀表放大器可提供放大、增益設(shè)置和調(diào)整、失調(diào)設(shè)置和調(diào)整以及箝位，所有這些都以數(shù)字方式建立。它可用于補償橋式傳感器中的失調(diào)和增益誤差，并提供傳感器故障指示。它支持使用軟件進行調(diào)整，使使用微調(diào)電位計進行補償在制造環(huán)境中成為過時的藝術(shù)。在惡劣和擁擠環(huán)境中使用傳感器的許多情況下，AD8555的寬溫度范圍和節(jié)省空間的封裝尺寸使測量受益匪淺，AD4采用4 mm x 8555 mm引腳框架芯片級封裝（LFCSP）。由于AD<>能夠驅(qū)動非常大的容性負(fù)載，因此可以放置在傳感器附近，并且與信號處理電路保持一定距離。其高水平的編程靈活性和直流精度使其有別于所有其他解決方案。

應(yīng)用示例

在給定批次的壓力傳感器中，傳感器之間的差異會導(dǎo)致傳感器滿量程輸出的20%的失調(diào)電壓。傳感器之間的增益幾乎相差 2 比 1。以下示例顯示了如何使用AD8555來補償失調(diào)和增益變化，同時最大化提供給A/D轉(zhuǎn)換器的信號的動態(tài)范圍。圖7所示為應(yīng)用電路，包括橋式轉(zhuǎn)換器、AD8555和AD7476模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖7.壓力傳感應(yīng)用示例。

傳感器特性

26PC01SMT（表面貼裝技術(shù)）壓力傳感器是一款基于惠斯通電橋的印刷電路板安裝器件，與AD8555一起，似乎可以在小尺寸內(nèi)提供完整的可編程壓力測量和調(diào)節(jié)。根據(jù) 10 V 和 25°C 時的數(shù)據(jù)手冊規(guī)格，以下是采用 5V 電源時的預(yù)期傳感器特性：

放大器特性

信號調(diào)理電路還會引入誤差，這些誤差表現(xiàn)為偏移。下表列出了AD8555的誤差貢獻。

條件：Rbridge = 2500 歐姆，滿量程 = ±16.7 mV，AV = 150，VOFF = 2.5 V，VOUT = 0 V 至 5 V

下表顯示，主要誤差源是AD8555輸入端出現(xiàn)的靜態(tài)誤差。這些將與傳感器中的相應(yīng)變化一起被修剪掉。由電流噪聲、增益漂移和失調(diào)漂移引起的誤差很小，可以忽略不計。其余無法消除的誤差是噪聲和增益非線性。

由于噪聲限制了傳感器信號的放大精度，因此低電平信號的高分辨率測量需要低噪聲、低漂移放大器。AD8555在32 kHz時的本底電壓噪聲密度為1 nV/rt/Hz。直流至10 Hz的噪聲為0.7 μV峰峰值。

電橋、AD8555和模數(shù)轉(zhuǎn)換器均由+5 V電源激勵。電橋的滿量程輸出范圍將在±14.7 mV至±18.7 mV范圍內(nèi)。其失調(diào)范圍為–2 mV至+2 mV。匹配模數(shù)轉(zhuǎn)換器的5 V滿量程輸入范圍需要134至170的增益設(shè)置。當(dāng)失調(diào)設(shè)置為2.5 V時，放大器輸出范圍為0 V至5 V，因為壓力在–1 psi和+1 psi之間變化。

首先將增益設(shè)置為 134，即此傳感器所需的最小值。使用0 psi輸入時，調(diào)整失調(diào)，直到放大器輸出為2.5 V。這補償了傳感器的零點偏移和放大器誤差項。施加 1-psi 輸入，并調(diào)整增益，使放大器輸出電壓為 5 V – 1 LSB。輸出失調(diào)是增益的函數(shù)，因此失調(diào)和增益調(diào)整必須迭代完成。作為替代方案，可以在測量輸出范圍后計算所需的增益。失調(diào)在增益設(shè)置后進行調(diào)整，因此只需調(diào)整一次。

結(jié)論

AD8555集成了具有可編程增益、可編程輸出失調(diào)、故障檢測、輸出箝位和低通濾波功能的零漂移儀表放大器，從而簡化了橋式測量系統(tǒng)的設(shè)計，從而在傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器之間提供完整的信號調(diào)理路徑。ADI公司提供包含樣品件以及評估軟件和硬件的評估套件。

審核編輯：郭婷