如何实现较大信号输出的硅应变计与模数转换器(ADC)的接口

如何实现较大信号输出的硅应变计与模数转换器(ADC)的接口

本文介绍了如何实现具有较大信号输出的硅应变计与

(

)的

，特别是Σ-Δ

C，当使用硅应变

，它是一种实现

的低成本方案

硅应变计

压力传感器实例

VOUT=VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0)) （1）

P=(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0)) (2)

电压驱动

设计该电路时主要考虑的是动态范围和ADC的分辨率，最低要求取决于具体应用和所选的传感器和RTD的参数。 在本例中，传感器的具体参数如下。

系统规格

· 满量程压力：100psi · 压力分辨率：0.05psi · 温度范围：-40～+85℃ · 电源电压：4.75～5.25V

压力传感器规格

· S0 (灵敏度): 150～300μV/V/psi · S1(灵敏度的温度系数): 最大为-2500×10-6/℃ · U0 (偏移): -3～+3mV/V · U1 (偏移的温度系数): -15～+15μV/V/℃ · RB (输入电阻): 4.5kΩ· TCR (电阻温度系数): 1200×10-6/℃ · RTD: PT100 o α: 3850×10-6/℃ o -40℃时的阻值: 84.27Ω o 0℃时阻值: 100Ω o 85℃时阻值: 132.80Ω

电压分辨率

ADC能够接受的最小电压分辨率可根据传感器能够检测到的最小压力变化所对应的VOUT得到。极端情况为使用最低灵敏度的传感器，在最高温度和最低供电电压下进行测量。注意，公式(1)中的偏移项不影响分辨率，因为分辨率仅与压力响应有关。使用公式(1)以及上述假设可得：

VOUTmin=4.75V×(0.05psi/count×150μV/V/psi×(1+(-2500×10-6/℃)×(85℃-25℃))≈30.3μV/count

所以，最低ADC电压分辨率为30μV/ count。

ADC的输入范围

ADC的输入范围取决于最大输入电压和最小电压。根据公式1，产生最大VOUT的条件：最大压力100psi、最低温度- 40℃、最大电源电压5.25V和3mV/V的偏移、-15μV/V/℃的偏移温度系数、-2500×10-6/℃的TCS以及 300μV/V/psi的最高灵敏度。最小信号一般都在无压力(P＝0)，电源电压为5.25V、-3mV/V的偏移、-40℃的温度以及OTC等于+ 15μV/V/℃的情况下出现。

再次使用公式(1)以及上述假设可得：

VOUTmax=5.25V×(100psi×300μV/V/psi×(1+(-2500×10-6/℃)× (-40℃－25℃))+3mV/V+(-0.015mV/V/℃)×(-40℃-25℃))=204mV

VOUTmin = 5.25×(-3mV/V + ( 0.015mV/V/℃×(-40℃-25℃)))=-21mV

因此，ADC的输入范围是-21～+204mV。

分辨率

18位ADC可以用内置放大器的低分辨率转换器来代替，例如16位的MAX1416。其8倍的增益相当于将ADC转换结果向高位移了3位，从而利用 了全部的转换位并将转换需求减少到15位。不过要选用无增益的高分辨率转换器，还是有增益的低分辨率转换器，就要看具体情况下的增益和转换速率下的噪声规 格。Σ-Δ转换器的有效分辨率通常受到噪声的限制。

温度测量

如果测量温度仅仅是为了对压力传感器进行补偿，那么温度测量不要求十分准确，只要测量结果与温度的对应关系具有足够的可重复性即可，这样将会有更大 的灵活性和较宽松的设计要求。对于硅压力传感器，有三个基本的设计要求：避免自加热，具有足够的温度分辨率，保证在ADC的测量范围之内。

使最大Vt电压接近于最大压力信号有利于采用相同的ADC和内部增益来测量温度和压力。本例中的最大输入电压为+ 204mV，考虑到电阻的误差，最高温度信号电压可保守地选择为+180mV。将Rt上的电压限制到+180mV也有利于避免Rt的自加热问题。一旦最大 电压选定，根据在85℃ (Rt=132.8Ω)，VB=5.25V的条件下产生该最大电压可以计算得到R1。R1的值可通过公式(3)进行计算，公式中的Vtmax是RT上所允许的最大压降。温度分辨率等于ADC的电压分辨率除以Vt的温度敏感度。公式(4)给出了温度分辨率的计算方法。(注意：本例计算的是最小电压分辨率，是一种较为保守的设计。你也可以使用实际的ADC无噪声分辨。)

R1= Rt×(VB/Vtmax-1) (3)

R1=132.8Ω×(5.25V/0.18V-1)≈3.7kΩ

这里，TRES是ADC所能分辨的摄氏温度测量分辨率。

TRES=30μV/count×(3700Ω+ 132.8Ω)2/(4.75V×3700Ω×0.38Ω/℃)≈0.07℃/count

0.07℃的温度分辨率足以满足大多数应用的要求。但是，如果需要更高的分辨率，有以下几个选择：使用一个更高分辨率的ADC；将RTD换成热敏电阻，或将RTD用于电桥，以便在ADC中能够使用更高的增益。

结论

硅压阻公式应变计比较高的输出幅度使其可以直接和低成本、高分辨率Σ-ΔADC接口。这样避免了放大和电平移位电路带来的成本和误差。另外，这种应变计的热特性和ADC的比例特性可被用来显著降低高精度电路的复杂程度。

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