基于電阻的電橋電路廣泛用于從測(cè)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(dá)到測(cè)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(cè)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(jī)械元件的運(yùn)動(dòng)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(shí)偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)的電阻發(fā)生變化。

圖1.將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

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(jì)，其中所有四個(gè)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(duì)隔膜施加壓力時(shí)，橋的兩個(gè)量具元件受到張力;另外兩個(gè)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(lì)，產(chǎn)生電信號(hào)。

在表壓傳感器技術(shù)的一種形式中，應(yīng)變計(jì)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(jí)。當(dāng)對(duì)電橋施加恒定電壓或電流時(shí)，該范圍內(nèi)的電阻變化會(huì)產(chǎn)生線性不平衡，該不平衡以差分電壓（或電流）來測(cè)量。在另一項(xiàng)技術(shù)中，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)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(hào)調(diào)理

電橋產(chǎn)生的信號(hào)通常很小，并且會(huì)受到噪聲、失調(diào)和增益誤差的影響。在對(duì)電橋輸出進(jìn)行數(shù)字化之前，必須對(duì)其進(jìn)行放大，調(diào)整失調(diào)以匹配A/D轉(zhuǎn)換器的跨度，并進(jìn)行濾波以消除噪聲。雖然圖3所示的信號(hào)調(diào)理模塊可以使用運(yùn)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(jì)時(shí)間。

圖2.具有四個(gè)電阻元件的橋接器。

圖3.壓力測(cè)量?jī)x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(hào)（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(lì)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(shí)，零壓力零點(diǎn)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(hào)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(dòng)電橋補(bǔ)償

壓力傳感器中的惠斯通電橋通常進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)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(gè)橋，其中增加了電阻以補(bǔ)償這些誤差。消除這些錯(cuò)誤既耗時(shí)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(huì)減小ADC的可用動(dòng)態(tài)范圍。

圖4.手動(dòng)電橋補(bǔ)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(gè)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(shí)現(xiàn)更高水平的性能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向軟件控制的增益補(bǔ)償。

儀表放大器誤差

圖5顯示了傳感器與信號(hào)調(diào)理電路接口時(shí)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(huì)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)端子上都具有高阻抗和低偏置電流（V收銀機(jī)和 V內(nèi)格).自動(dòng)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(zhǎng)（分辨率優(yōu)于0.4%）進(jìn)行編程，方法是分別調(diào)整兩級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)調(diào)整值進(jìn)行臨時(shí)編程、評(píng)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(bǔ)償輸入信號(hào)中的失調(diào)誤差和/或?yàn)檩敵鲂盘?hào)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(hào)。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(jí)增益） × （第二級(jí)增益）

Vdiff是要測(cè)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(shí)編程、評(píng)估和重新調(diào)整;然后可以通過熔斷保險(xiǎn)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(gè)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(cè)可防止開路、短路和浮動(dòng)輸入。這些條件中的任何一個(gè)都會(huì)觸發(fā)一個(gè)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(cè)到短路和浮動(dòng)條件鉗輸入。利用外部電容，AD8555可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(hào)調(diào)理中的作用

系統(tǒng)工程師希望所有具有相同部件號(hào)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(shí)現(xiàn)傳感器之間一致性的一種方法是在制造過程中進(jìn)行大量修整。如果這些傳感器的行為在整個(gè)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(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行調(diào)整，使使用微調(diào)電位計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償在制造環(huán)境中成為過時(shí)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(cè)量受益匪淺，AD4采用4 mm x 8555 mm引腳框架芯片級(jí)封裝（LFCSP）。由于AD<>能夠驅(qū)動(dòng)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(hào)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(huì)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(bǔ)償失調(diào)和增益變化，同時(shí)最大化提供給A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)的動(dòng)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(cè)量和調(diào)節(jié)。根據(jù) 10 V 和 25°C 時(shí)的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格，以下是采用 5V 電源時(shí)的預(yù)期傳感器特性：

放大器特性

信號(hào)調(diào)理電路還會(huì)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(xiàn)。

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(jì)。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(hào)的放大精度，因此低電平信號(hào)的高分辨率測(cè)量需要低噪聲、低漂移放大器。AD8555在32 kHz時(shí)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(lì)。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(shí)，放大器輸出范圍為0 V至5 V，因?yàn)閴毫υ讪C1 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(shí)，調(diào)整失調(diào)，直到放大器輸出為2.5 V。這補(bǔ)償了傳感器的零點(diǎn)偏移和放大器誤差項(xiàng)。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(cè)量輸出范圍后計(jì)算所需的增益。失調(diào)在增益設(shè)置后進(jìn)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(cè)、輸出箝位和低通濾波功能的零漂移儀表放大器，從而簡(jiǎn)化了橋式測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而在傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器之間提供完整的信號(hào)調(diào)理路徑。ADI公司提供包含樣品件以及評(píng)估軟件和硬件的評(píng)估套件。

審核編輯：郭婷