低功耗、温度补偿式电桥信号调理器及驱动器电路

    带温度补偿的差分电桥型传感器监控电路是一款适用于电桥型传感器的完整低功耗信号调理器，包括一个温度补偿通道。该电路非常适合驱动电压介于5V和15V之间的各类工业压力传感器和称重传感器。

    功能与优势

    图1所示电路是一款适用于电桥型传感器的完整低功耗信号调理器，包括一个温度补偿通道。该电路非常适合驱动电压介于5V和15V之间的各类工业压力传感器和称重传感器。

    利用24位Σ-Δ型ADC的内置可编程增益放大器(PGA)，该电路可以处理大约10mV到1V的满量程信号，因此它适用于种类广泛的压力传感器。

    整个电路仅使用三个IC，功耗仅1mA(不包括电桥电流)。比率式技术确保系统的精度和稳定性不依赖于基准电压源。

     

     

    图1.带温度补偿的差分电桥型传感器监控器(原理示意图：未显示所有连接和去耦)

　电路描述

　　图1所示电路基于24位Σ-Δ型ADCAD7793。该ADC有三路差分模拟输入和一个增益范围为单位增益到128的片内低噪声PGA，因此非常适合多个传感器接口。AD7793的最大功耗仅500μA，因而适合低功耗应用。它内置一个低噪声、低漂移带隙基准电压源，也可采用外部差分基准电压。输出数据速率可通过软件在4.17Hz至470Hz范围内设置。

　　AD8420是一款低功耗仪表放大器，电源电流最大值为80μA，可以采用最高36V的单电源供电，用于消除桥式传感器的共模电压。需要时，它也可为传感器的小差分信号输出提供增益。

　　ADA4096-2是一款双通道运算放大器，每个放大器的典型电源电流为60μA，具有最高30V的宽工作输入电压范围，用于驱动传感器电桥。ADA4096-2的另一半用作基准电压缓冲器。

　　有很多种类的压力传感器需要5V至15V之间的电压驱动。图1所示电路为桥式传感器提供了一种完整的解决方案，包含四个关键部分：传感器电压驱动、仪表放大器、基准电压缓冲器和ADC。

　　桥式传感器电压驱动

　　ADA4096-2配置为同相放大器，其配置增益由反馈电阻设置，如图2所示。

图2.传感器电压驱动

增益通过配置表1列出的跳线来设置。

传递函数计算如下：

　　其中，RF可以是40.2kΩ、91kΩ或140kΩ，R8=10kΩ。

　　NPN晶体管用于提高驱动桥式传感器所需的电流。提供给ADA4096-2反相输入端的反馈使得反相输入电压等于同相输入电压，从而确保桥式电路上的电压驱动保持恒定的电压。

　　晶体管Q1为BJT，最大击穿电压为80V，25°C时功耗为0.35W。集电极最大电流为500mA。

　　仪表放大器

　　AD8420抑制电桥处产生的共模电压，仅放大差分电桥电压，如图3所示。AD8420具有与输入共模电压完全无关的轨到轨输出电压摆幅。该特性使得AD8420摆脱了大多数传统仪表放大器架构存在的、共模输入和输出电压之间交互作用导致的多种限制。该仪表放大器的增益设置为1。

图3.AD8420仪表放大器

　　AD8420的输入端有一个差模噪声滤波器(20kΩ/1μF/100nF)，其带宽为7.6Hz，还有一个共模噪声滤波器(10kΩ/100nF)，其带宽为150Hz。

　　传统仪表放大器架构需要使用低阻抗源驱动基准电压引脚，基准电压引脚上的任何阻抗都会降低共模抑制比(CMRR)和增益精度。而对于AD8420架构，基准电压引脚上的电阻对CMRR无影响。AD8420的传递函数为：　

　　V_OUT = G (V_IN+ - V_IN-) + V_REF

　　其中：

　　V_REF = 1.05 V

　　G = 1 + (R12/R10)

　　在-40°C至+85°C温度范围内，AD8420差分输入电压在内部被二极管限制在±1V。如果输入电压超过此限值，内部二极管就会开始传导并消耗电流。电流在内部被限制在保证AD8420安全的值。

　　基准电压缓冲器

　　AD7793产生的210μA激励电流通过5kΩ电阻，如图4所示。这将产生1.05V基准电压，然后由ADA4096-2缓冲。缓冲器的输出驱动AD7793和AD8420的基准电压源。该电路是比率式，因此，5kΩ电阻上的电压变化（由AD7793产生的210μA激励电流的5%容差导致）所引起的误差非常小。该缓冲基准电压还驱动放大器以设置桥式传感器的电压驱动（参见图2）。

图4.基准电压产生

　　ADC通道1配置：桥式传感器

　　AD7793的通道1测量AD8420的桥式传感器输出。外部VREF(1.05V)用作基准电压，因此，AD7793的输入电压范围是±1.05V，以+1.05V共模电压为中心。

　　ADC通道2配置：温度传感器

　　AD7793的第二通道监控电阻温度检测器(RTD)上产生的电压，该RTD由210μA激励电流驱动，如图5所示。

　　尽管100Ω铂RTD十分常见，但也可指定其他电阻（200Ω、500Ω、1000Ω等）和材料（镍、铜、镍铁）。本应用采用100ΩDIN43,760A类RTD。

图5.利用开尔文或4线PtRTD连接提供高精度

　　图5所示的4线（开尔文）连接可消除RTD引脚电阻效应。注意：利用链路P3和链路P4，也可以使用2线、3线或4线配置，如表2所示。

　如果不需要温度补偿，可利用链路P9旁路RTD。

　　输出编码

　　任一通道上输入电压的输出代码为：

　　其中：

　　AIN=AIN(+)AIN(-)=AIN(+)VREF

　　Gain为PGA增益设置，N=24。

　　电源电压要求

　　为使电路正常工作，电源电压VCC必须大于6V，以便为桥式传感器提供最低5V驱动。

　　系统校准

　　有多种方法可执行压力传感器温度校准。本应用采用四点校准程序。SILiconMicrostructures,Inc.（位于美国加利福尼亚州苗必达市）的AN13-01（恒定电压下MEMS压力传感器的主动温度补偿和校准）为校准程序提供了很好的参考。

 

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　　测试数据与结果

　　系统噪声

　　全部数据捕获操作都通过CN-0355评估软件实现。

　　为捕获评估板噪声，进行了两次设置测量。第一次测量如图6所示，在AD8420输入短路的条件下进行，因而测量的是AD8420和AD7793的峰峰值噪声。进行了1000次采样，获得的代码分布约有100个代码，相当于12.5μV的峰峰值噪声；或者对于2.1V的满量程范围，相当于17.36个无噪声位。

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