低成本传感器及A/D转换接口的设计考虑

惠斯通电桥的线性化

使用非平衡惠斯通电桥的缺点是其具有非线性。公式15分母中的Ru项表示：电桥的输出与Ru不是线性函数关系。电阻变化非常小时线性误差也很小，而当电桥不平衡时线性误差也变大。幸运的是，如果ADC参考电压来自电桥的话，就可消除这个误差。

图10所示为一个带数字显示的简单温度传感器。温度感应元件(Rt)是铂RTD。选择铂是因为其电阻随温度线性变化。电桥电路除去0°时的多余信号，这样可使ADC的读数等于温度。公式17给出了图10中的电桥信号(Vs)。公式18是ADC的参考电压。两信号都是Rt的非线性函数，但是它们共同作用的结果是线性的。


图10. 在具有数字显示的简单的温度传感器中，电桥电路除去0°时的多余信号，使得ADC读数等于温度。

Vs = (Vb)(R3/(R2+R3) - (R1/(R1+Rt))公式17

Vfer = (Vb)(R1/(R1+Rt)公式18

ADC的输出(公式19)是将公式17和18中的Vs和Vref分别代入公式4中得出的。公式19表示采用这个参考电压时，ADC输出变为Rt的线性函数，并减去所期望的偏移项。

D = Rt(R3/(R1(R2+R3)) - R2/(R2+R3)公式19

在图10中，R3b和R1b分别调节失调量和灵敏度。当进行调节时，显示器将直接以°C或°F为单位显示温度的大小。唯一的一个明显误差来自RTD自身的非线性。0°C至100°C范围内该误差仅为十分之几摄氏度。

通过MAX1492 ADC的串行接口，还可对图10电路的失调误差和灵敏度误差进行数字校正。这种校准方法不仅无需R1a和R3a，而且还提供了校正RTD中线性误差的机会。如果需要更高的测量分辨率，可用MAX1494替换MAX1492，可使分辨率上升一位。

根据公式19，R4的值不会影响读数。电路中增加R4可以降低RTD的自身热量。同时也减弱了来自电桥的信号，并且降低了参考电压。虽然MAX1492无内部PGA，但是它允许使用较小的参考电压。使用较小的参考电压可以省去额外的放大电路。

结束语

在许多传感器应用中，利用简单电路，使传感器输出和ADC参考输入之间保持适当的关系，可以省去电压基准和电流源。除了降低成本和节省空间之外，这些电路还可消除不理想基准所引入的误差，改善性能。

相类似的文章发表于2005年7月的Sensors杂志。

附录1. 电流驱动传感器的综合特性

目前最常见的压力传感器是由硅晶片制成的，硅晶片类似于计算机芯片。采用标准的半导体制造工艺技术，将四个压敏电阻植入硅片，并用金属引线连接电阻构成电桥结构。然后，在硅晶片的背面有选择地蚀刻硅片，就可产生一个很薄的隔膜。当完成后，硅晶片的背面看起来像具有凹坑的华夫饼干，每一个凹坑对应一个独立的压力传感器。批量生产使这种传感器成本降低。硅晶片的特性使其具有高强度，并提供相对较大的输出信号。

硅晶片还具有导致这些传感器灵敏度随温度变化下降的不良特性，变化速率的典型值大于2000ppm/°C。幸运的是，电桥电阻的阻抗在灵敏度下降时以相同的速率增加。当这些传感器由一个电流源供电时，电桥电压则随灵敏度下降以相同的速率增加。这样可提供一个在限定温度范围内与温度无关的输出信号。

为抑制电阻随温度变化的影响，至关重要的是四个电阻要具有相同的温度系数(TCR)，并处于相同的温度。硅传感器可以很容易地满足这些要求。小尺寸传感器可确保温度一致，同时制作四个电阻可以使得TCR本质上完全相同。

习惯上，还可使四个电阻均随压力变化。其中两个电阻的阻值随压力增加而增加，另两个电阻的阻值则随压力增加而减小。这不仅使电桥输出增加了四倍，而且还消除了由单个有源元件组成的非平衡电桥中存在的非线性误差。

附录2. 电压调节器与电压基准

大多数电路至少具有一个稳压器来为IC提供一个稳定的供电电压。虽然这些稳压器的精度、电源抑制和温度稳定性很适合为IC供电，但其无法满足高精度模拟测量对于稳定性的需求。电压基准在整个宽温度范围内都相当精确，但不具有稳压器的负载处理性能。例如，低噪声稳压器MAX8510具有优异的技术指标，甚至可以在低精度应用中作为基准。然而，MAX8510的电压稳定性等级要低于诸如MAX6126的低噪声电压基准。MAX6126具有良好的初始精度和稳定性，但它仅能提供MAX8510负载能力1/10的电流。大多数非比例测量电路同时需要稳压器和电压基准。