基于惠斯顿电桥的压力传感器方案应用

基本信号调节电路由一个仪表放大器和一个模数转换器(ADC)组成。仪表放大器将来自传感器的小输出电压放大到适合ADC的电平，然后由ADC将放大后的传感器输出电压转换为数字式，再交给控制器或DSP处理(图2)。仪表放大器可以用来避免桥过载，而这种过载会改变传感器输出电压值。

传感器的满刻度输出即最大输入，能够在放大器输入端看到。当传感器输出处于满刻度时，ADC输入应该接近其满刻度值，这个值通常就是ADC的参考电压VREF。放大器要求的增益大小为：

其中VREF代表ADC的参考电压，“Sensor FS”是传感器的满刻度输出值。假设电阻完美匹配，那么仪表放大器的增益等于：

需要解决的挑战

如前所述，关于传感器有两大挑战需要解决：首先是传感器具有输出偏移，这个偏移可以在图2中的VOFF点加合适的电压进行调整，或者在传感器输出被数字化后用软件消除。如果用软件处理，那么VOFF就变成0伏。

用软件消除偏移的问题在于，限制了可测量的传感器范围。如果偏移是正的，将限制可以测量的最大传感器输出，因为放大的传感器输出可能比期望的更早达到ADC满刻度值。如果偏移是负的，将无法精确测量很小的传感器输出电平，因为在超过放大的偏移值之前，ADC输出代码不会高过零值。

第二个挑战是可能针对传感器满刻度输出的输出电压值范围。例如，标称满刻度输出电压为100mV的传感器可能有这样一个指标，它表明了这种满刻度输出低至50mV和高至150mV的可能性。

如果满刻度传感器输出低于标称值，ADC的满刻度范围就不会使用。如果满刻度传感器输出超过标称值，ADC输出将在传感器输出达到其满刻度之前先达到ADC满刻度输出值。此外，如果传感器输出或放大器本身有漂移，那么在读数时将存在某种不确定性和不精确性。

幸运的是，目前的传感器即使有时间漂移也非常小，仔细选择放大器可以使放大器漂移最小。因此，在制造期间和/或系统上电时，电路增益可以一次调整到位。

达到这个目的的方法之一是使用数模转换器(DAC)调整ADC参考电压VREF，以补偿传感器的满刻度误差，使用另一个DAC调整图2中的VOFF以补偿偏移误差。

双通道DAC，如国半的DAXxx2S085(其中“xx”可以是08、10或12，代表DAC分辨率)，将是这种应用的理想之选。另外一种方法，是在传感器输出被数字化后，用软件校准这些误差。

解决这两个挑战的最佳方案，是在制造过程和系统启动时的软件校准过程中，调整偏移和增益误差。这种方法允许用软件实现最小误差校准，并保持ADC的最大可用动态范围。

第三个问题是，单端ADC通常要求其输入可以被驱动到非常接近零伏，以产生零输出代码。问题产生的原因是，用于驱动ADC输入的放大器不能产生低于50mV左右的输出。即使所所用的放大器具有轨到轨输出能力，这种现象也很常见。

虽然对某些应用来说，电路无法提供最小的ADC零输出代码没什么关系，但对其它应用来说这却是个问题。对于后者，解决方案包括：

* 使用差分输入ADC。

* 给驱动单端输入ADC的放大器提供负电源。

* 将ADC的地偏置到约100mV。

* 偏移ADC输入，丢弃ADC输出端的一些代码，用软件进行调整

* 使用既带正参考电压又带负参考电压的单端ADC，这些参考电压可以设为比器件地高的值，并相应抵消ADC输入电压。