低成本传感器及A/D转换接口的设计考虑

电流驱动的电桥

在低噪声环境或者系统中，若压力传感器紧挨ADC放置，可能没有必要使用带信号放大的传感器。在这些应用中，低成本桥式输出传感器更适合。为了降低传感器成本，同时在整个温度范围内提供良好的性能，许多此类压力传感器，如Nova Sensor公司的NPI-19系列[3]都是由电流源供电而不是电压源供电。(更详细的论述请参见附录1)。公式8给出了这种电流驱动的传感器的输出，其中Ie是激励电流。

Vs= Ie (S x P+C)公式8

图4给出了一个常用于桥式输出传感器的电流源。该电流源由一个低温度系数电阻，一个运算放大器及一个电压基准组成。如果ADC和压力传感器整合于一个部件中，则电流源的电压基准也可为ADC提供参考电压。在图4的电路中，电压基准同时被用来稳定传感器和ADC，使它们不受变化的温度和电源电压的影响。


图4. 该设计中电流驱动传感器的电流源由一个电阻，一个运算放大器和一个电压基准组成。

与图4类似的另一种方法如图5所示的电路，无需电流源或电压基准。需要注意的是：虽然传感器和ADC的组合在整个温度范围内都很稳定，但是ADC和传感器都具有很大的温漂。如果单独测量，传感器的灵敏度将随温度的升高而降低，而ADC的灵敏度则升高。由于在整个温度范围内ADC输出不是稳定的，所以将该方法用于ADC有多路输入的电路时必须特别小心。


图5. 传感器和ADC组合的另一种设计方法，无需独立的电流源或电压基准。

从图5可以得出公式9：

Vref = Ie x R1公式9

将公式9中的Vref和公式8中的Vs代入上述ADC的公式4 ，得出公式10。

D = [Ie (S x P+C)/(Ie x R1)](FS x K)公式10

因为分子和分母中含有激励电流(Ie)，因此可消去。 由此可得到公式11，表示输出与激励电流无关。如果将公式11中的常数项合并，将再次得出与公式6等效的公式：带有电压基准的系统。

D = P(S x FS x K/R1)+C(FS x K/R1)公式11

如果R1作为一个常数，它必须具有较低的温度系数。与图4相比，图5要求R1具有良好的温度稳定性，这并不是其缺点，因为图4中的电阻也必须具有良好的温度稳定性。

公式11中没有R2，而且电路中也不需要R2。但是，对R2进行分析是为了说明它并不影响ADC读数。R2可用另一个电流驱动的压力传感器、RTD或一个固态开关的电阻代替，而不会影响ADC读数。

理论上，可以采用多通道输入ADC和数个串联驱动的电流型传感器。然而，传感器串联会使得激励电流(Ie)，传感器信号(Vs)以及参考电压(Vref)更低。当传感器串联时，需要特别注意对ADC Vref的要求及系统噪声。

RTD

RTD是另一种通常与电流源配合使用的传感器。RTD的常用材料是铂，通常具有约3,800ppm/°C的正温度系数。测量RTD的传统方法是将其作为电阻桥的一个端子。然而，在实际应用中，很少使用电阻桥。低成本高分辨率ADC的存在在，使得只需驱动一个电流流过RTD，并直接测量RTD两端的电压这种简单方案更为经济。这种方法避免了非平衡桥的非线性问题，并且省去了组成电阻桥的三个精密电阻。

图6中的电路也无需利用电桥或者稳定的电流源来测量RTD (Rt)。该电路只需要一个稳定的基准电阻(R1)和一个低等级的限流电阻即可。


图6. 无需电阻桥或稳定电流源来测量Rt的电路

由图6可以得出下列公式：

Vs = (V+) x Rt/(R1+R2+Rt)公式12

Vref = (V+) x R1/(R1+R2+Rt)公式13

将公式12中的Vs和公式13中的Vref代入公式4，得出图6中ADC的输出。经过简化可得公式14。公式14表示：如果R1是定值，D则正比于、且仅随Rt的变化而变化，这正是所期望的结果。