LCR数字电桥基本知识
2015-04-29
LCR数字电桥基本知识
LCR电桥是精密测量电阻或其他模拟量的一种有效的方法。本文介绍了如何实现具有较大信号输出的硅应变计与模数转换器(ADC)的接口，特别是Σ-Δ ADC，当使用硅应变计时，它是一种实现压力变送器的低成本方案
硅应变计
1硅应变计的优点在于高灵敏度，它通过感应由应力引发的硅材料体电阻变化来检测压力。相比于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较大，可以与较廉价的电子器件配套使用。但是，这些小而脆器件的安装和连线非常困难，因而增加了成本，限制了它们在粘贴式应变计应用中 的使用。
2不过，用MEMS工艺制作的硅压力传感器却克服了这些弊病。这种MEMS压力传感器采用了标准的半导体工艺和特殊的蚀刻技术。这种特殊的蚀刻技术可 选择性地从晶圆的背面除去一部分硅，从而生成由坚固的硅边框包围的、数以百计的方形薄膜。而在晶圆的正面，每一个小薄膜的每个边上都植入了一个压敏电阻， 用金属线把小薄片周边的四个电阻连接起来就形成一个惠斯登电桥。最后，使用钻石锯从晶圆上锯下各个传感器。这时，硅传感器已经初具形态，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
1在此给出一个压力传感器的实例,其所涉及的原理适用于任何使用类似电桥的传感器。公式1给出了一个原始的压力传感器的输出模型。其中，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。因此要提供一个一致的、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，校准都是通过模拟电路进行的。然 而，现代电子学的进展使得数字校准比模拟校准更具成本效益，而且其准确性也更好。此外，利用一些模拟技术“窍门”，可以在不牺牲精度的前提下简化数字校准。
VOUT=VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0)) （1）
2.、式中，VOUT为电桥输出，VB是电桥的激励电压，P是外加压力，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是在无压力情况下电桥在温度T0时的输出偏移量(或失衡)，而U1则是偏移量的温度系数(OTC)。公式(1)使用一次多项公式来对传感器进行建模，而有些应用场合可能会用到高次多项公式、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，同时要采用某种方公式来确定全部系数并进行必要的计算。公式(2)由公式(1)变化所得，从中可清楚地看到，通过数字计算(通常由微控制器(MCU)执行)而输出精确压力值所需的信息。
P=(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0)) (2)
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)
在图1所示的电路中，一个高精度ADC先对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MCU，在那里转换成实际的压力。电桥直接由电源驱动，电源同时也为ADC、电压基准源和MCU供电。电阻公式温度检测器Rt用来测量温度，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)被放到恒温箱里，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MCU并存储到非易失性存储器中。
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
