电阻电桥基础:使用硅应变仪的高输出信号电桥

本文演示了在构建一个简单的比例电路时，如何确定ADC和硅应变计的特性，并给出了一个采用电流驱动传感器的简化应用电路。

硅应变计的背景知识

硅应变计的优点在于高灵敏度。硅材料中的应力引起体电阻的变化。相比那些仅靠电阻的尺寸变化引起电阻变化的金属箔或粘贴丝式应变计，其输出通常要大一个数量级。这种硅应变计的输出信号大，可以与较廉价的电子器件配套使用。但是，这些小而脆的器件的安装和连线非常困难，并增加了成本，因而限制了它们在粘贴式应变计应用中的使用。然而，硅应变计却是MEMS (微机电结构)应用的最佳选择。利用MEMS，可将机械结构建立在硅片上，多个应变计可以作为机械构造的一部分一起制造。因此，MEMS工艺为整个设计问题提供了一个强大的、低成本的解决方案，而不需要单独处理每个应变计。

MEMS器件最常见的一个实例是硅压力传感器，它是从上个世纪七十年代开始流行的。这些压力传感器采用标准的半导体工艺和特殊的蚀刻技术制作而成。采用这种特殊的蚀刻技术，从晶圆片的背面选择性地除去一部分硅，从而生成由坚固的硅边框包围的、数以百计的方形薄片。而在晶片的正面，每一个小薄片的每个边上都制作了一个压敏电阻。用金属线把每个小薄片周边的四个电阻连接起来就形成一个全桥工作的惠斯登电桥。然后使用钻锯从晶片上锯下各个传感器。这时，传感器功能就完全具备了，但还需要配备压力端口和连接引线方可使用。这些小传感器便宜而且相对可靠。但也存在缺点。这些传感器受温度变化影响较大，而且初始偏移和灵敏度的偏差很大。

压力传感器实例

在此用一个压力传感器来举例说明。但所涉及的原理适用于任何使用相似类型的电桥作为传感器的系统。式1给出了一个原始的压力传感器的输出模型。式1中变量的幅值及其范围使VOUT在给定压力(P)下具有很宽的变化范围。不同传感器在同一温度下，或者同一传感器在不同温度下，其VOUT都有所不同。要提供一个一致的、有意义的输出，每个传感器都必须进行校正，以补偿器件之间的差异和温度漂移。长期以来都是使用模拟电路进行校准的。然而，现代电子学使得数字校准比模拟校准更具成本效益，而且数字校准的准确性也更好。利用一些模拟“窍门”，可以在不牺牲精度的前提下简化数字校准。

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

(式1)

式中，VOUT为电桥输出，VB是电桥的激励电压，P是所加的压力，T0是参考温度，S0是T0温度下的灵敏度，S1是灵敏度的温度系数(TCS)，U0是在无压力时电桥在温度T0输出的偏移量(或失衡)，而U1则是偏移量的温度系数(OTC)。

式1使用一次多项式来对传感器进行建模。有些应用场合可能会用到高次多项式、分段线性技术、或者分段二次逼近模型，并为其中的系数建立一个查寻表。无论使用哪种模型，数字校准时都要对VOUT、VB和T进行数字化，同时要采用某种方式来确定全部系数，并进行必要的计算。式2由式1整理并解出P。从式2可以更清楚地看到，为了得到精确的压力值，数字计算(通常由微控制器(µC)执行)所需的信息。

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

(式2)

电压驱动

图1电路中的电压驱动方式使用一个高精度ADC来对VOUT (AIN1/AIN2)、温度(AIN3/AIN4)和VB (AIN5/AIN6)进行数字化。这些测量值随后被传送到µC，在那里计算实际的压力。电桥直接由电源驱动，这个电源同时也为ADC、电压基准和µC供电。电路图中标有Rt的电阻式温度检测器用来测量温度。通过ADC内的输入复用器同时测量电桥、RTD和电源电压。为确定校准系数，整个系统(或至少是RTD和电桥)被放到温箱里，向电桥施加校准过的压力，并在多个不同温度下进行测量。测量数据通过测试系统进行处理，以确定校准系数。最终的系数被下载到µC并存储到非易失性存储器中。


图1. 该电路直接测量计算实际压力所需的变量(激励电压、温度和电桥输出) 

设计该电路时主要应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。为了举例说明，使用下列参数：

系统规格

• 满量程压力：100psi
• 压力分辨率：0.05psi
• 温度范围：-40°C到+85°C
• 电源电压：4.75到5.25V

压力传感器规格

• S0 (灵敏度): 150到300µV/V/psi
• S1 (灵敏度的温度系数): 最大-2500ppm/°C
• U0 (偏移): -3到+3mV/V
• U1 (偏移的温度系数): -15到+15µV/V/°C
• RB (输入电阻): 4.5k
• TCR (电阻温度系数): 1200ppm/°C
• RTD: PT100
  • α: 3850ppm/°C (ΔR/°C = 0.385，Ω额定值)
  • -40°C时的值: 84.27Ω
  • 0°C时值: 100Ω
  • 85°C时值: 132.80Ω
  • 关于PT100的更多细节，请参见Maxim的>应用笔记3450："PT100温度变送器的正温度系数补偿"。