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壓力感測器測量的工業級訊號調節

上網時間: 2005年04月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Pressure Sensor  Pressure Measurement  signal conditioning  Resistance-based bridge circuit  電阻橋路 

壓力測量廣泛地應用在工業過程控制系統中,而電阻橋路則廣泛用於將物理壓力轉換為一個電訊號輸出。本文介紹了這種電阻橋路測量電路的訊號調節方法,並介紹了基於AD8555的整合解決方案和設計考量。

壓力檢測在工業程序控制系統中的流行程度僅次於溫度檢測,是排名第二位的測量技術。電阻橋路被廣泛地用於將物理壓力轉換為一個電訊號輸出,以便能夠用於控制系統。通常這些輸出訊號很微弱,因此在將它們用於檢測與控制系統之前需要進行放大、濾波和類比數位轉換。本文介紹在工業壓力檢測應用中對訊號調節的要求。

壓力測量

透過檢測機械元件的位移動來測量壓力,例如壓力錶膜片、布林登氣壓計、波紋管和膜盒,當它們受到壓力作用時會產生位移。該位移使應變計的電阻值發生改變。最流行的壓力感測器採用的是一種惠斯通(Wheatstone)電阻電橋結構的應變計,其內部是由四個阻值可變的元件構成,因此它具有最佳的線性度和靈敏度。當膜片受到壓力時,電橋中的兩個壓力元件會產生張力;而另外兩個壓力元件會產生壓力。用與此對應的電阻值變化量來度量產生的壓力大小。

訊號調節

為產生一個電訊號,用一個?壓源或者?流源激勵電橋。這種電訊號通常很微弱並且受到噪音、失調和增益誤差的影響。在對電橋的輸出訊號數位化處理之前,必須先將其進行放大和失調處理以便與數位類比轉換器(ADC)的輸入範圍相匹配,然後再濾除噪音。雖然訊號調節模組能夠用運算放大器和分離式電路組件構成,但是整合的儀表放大器具有節省成本、減少印刷電路板面積和設計時間的優點。

在典型的壓力感測器應用中,電阻電橋輸出的電壓差分訊號(其輸出範圍從幾十到幾百毫伏)與感測器受到的壓力和對電橋施加的激勵電壓成比例。為了精確地從高共模電壓中測量出這種微弱的差分輸出電壓,儀表放大器抑制高共模電壓訊號的能力非常必要。例如,12位元解析度的ADC要求最低有效位元(LSB)小於25μV(100mV/4096),或者相對2.5V共模電壓約為100dB以下。

手動電橋補償

圖1:AD8555儀表放大器電路圖。

壓力感測器中惠斯通電橋通常都採用手動補償的方法以消除它們的失調和量程誤差,這需要在儀器製造過程中包括調整失調、失調溫度漂移、量程和量程溫度漂移的步驟。調整這些誤差需要時間和成本。另一方面,透過一個數位類比轉換器(DAC)將一個可設置的直流電壓施加到儀表放大器參考引腳也可以調整失調電壓。失調校正是必須的,因為失調電壓將降低ADC的有用動態範圍。

由於在壓力感測器中增益的不確定性,使得在大多數基於儀表放大器的系統中都需要增益調整。傳統的做法是增加一個與儀表放大器外部增益電阻器串聯的調整電位器。為在較寬的溫度範圍內達到較好的性能水準,設計工程師應採取軟體控制增益補償。

整合解決方案

圖顯示了一種採用整合的零漂移數位可程式的訊號調節器實例,它提供了從感測器到ADC的完整訊號路徑:包括一個由三個自動調零放大器(A1、A2和A3)構成的儀表放大器、用於調節兩級增益的數位電位器、一個用於調節失調的DAC、開路和短路測量電路,以及一個保護控制系統的輸出鉗位電路和一個後備的低通濾波器。

為防止感測器電橋的負載過重,差分輸入的兩個端子(VPOS和VNEG)具有高輸入阻抗和低偏置電流的特性。自動調零電路透過不斷地修正放大器所產生的直流誤差使失調和失調漂移降到最低。在-40℃∼+125℃溫度範圍內,它具有10μV最大輸入失調電壓和65nV/℃最大輸入失調電壓漂移。

增益可依照每步小於1(具有優於0.4%的解析度)透過單線串列介面進行設置,其範圍為70∼1,280,兩級增益可以單獨設置。利用DigiTrim技術,透過熔斷多晶矽熔絲固定其設置增益。第一級增益是透過調整P1和P2的7位元編碼用128步進行調整,修正範圍為4.00到6.40;第二級增益是透過調整P3和P4的3位元編碼分8步,設置範圍從17.5到200。在永久性固定設定值之前,為獲得最佳校準精度,可暫時進行校準值設置、調節和反覆調節調整值。

8位元DAC可提供一個可設置失調電壓,用於補償輸入訊號的失調誤差和(或)給輸出訊號增加一個固定偏置電壓。例如,該偏置電壓可用於處理單電源系統中雙極性差分訊號。該輸出失調電壓可以用正電源和負電源電壓之差的0.39%解析度進行設置。像增益一樣,輸出失調電壓可暫時地設置、評估和反覆調節調整值,然後透過熔斷熔絲能夠永久性地設置。

單電源供電已經逐步成為當今感測器放大器所希望的特性。當今許多數據採集系統都採用低壓單電源供電。AD8555採用2.7V∼5.5V單電源電壓工作。其中A4放大器的輸出擺幅與任一電源電壓相差7mV以內。

故障測量電路防止開路、短路和浮置輸入。任何一種情況產生將導致輸出電壓被鉗位到負電源電壓(VSS),短路和浮置輸入情況還可以在VCLAMP輸入端測量到。可以用一只外部電容器構成一個低通濾波器,以便將輸出頻率範圍限制在0∼400kHz。

電橋式感測器訊號調節

系統工程師希望相同產品型號的壓力感測器都具有幾乎相同的性能。通常,現成的感測器不能滿足具備足夠精度的這種要求。一種使感測器之間達到一致性的方法是在製造過程期間進行大量的調整。如果這些感測器的性能在工作溫度範圍內具有可重複性,那麼一種較好的辦法可能是採用這種新一代的可程式放大器以提供放大、增益設定和調整、失調設定和調整以及輸出電壓鉗位,所有這些功能都採用數位化方法。它們能夠用來補償在橋式感測器中的失調和增益誤差,以及提供感測器故障指示。它們能夠採用軟體調整,從而使得採用電位器進行補償成為在製造領域中一項過時的技術。在感測器用於惡劣和組件密集環境中的許多情況下,測量得益於這種整合化解決方案很寬的工作溫度範圍和採用一個4mm×4mm引腳架構晶片級封裝(LFCSP)小的封裝尺寸。因為AD8555能夠驅動很大的電容性負載,所以可將其靠近感測器放置並且可遠離訊號調節電路,具有不同於一般方案的設置靈活性和直流精度。

作者:Reza Moghimi


Email: reza.moghimi@analog.com


ADI公司





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