壓力檢測(cè)在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中的流行程度僅次于溫度檢測(cè)，是排名第二位的測(cè)量技術(shù)。電阻橋路被廣泛地用于將物理壓力轉(zhuǎn)換為一個(gè)電信號(hào)輸出，以便能夠用于控制系統(tǒng)。通常這些輸出信號(hào)很微弱，因此在將它們用于檢測(cè)與控制系統(tǒng)之前需要進(jìn)行放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換。本文介紹在工業(yè)壓力檢測(cè)應(yīng)用中對(duì)信號(hào)調(diào)理的要求。
壓力檢測(cè)
通過(guò)檢測(cè)機(jī)械元件的位移動(dòng)來(lái)測(cè)量壓力，例如壓力表膜片、布爾登氣壓計(jì)、波紋管和膜盒，當(dāng)它們受到壓力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生位移。該位移使應(yīng)變計(jì)的電阻值發(fā)生改變。最流行的壓力傳感器采用的是一種惠斯通(Wheatstone)電阻電橋結(jié)構(gòu)的應(yīng)變計(jì)，其內(nèi)部是由四個(gè)阻值可變的元件構(gòu)成，因此它具有最佳的線性度和靈敏度。當(dāng)膜片受到壓力時(shí)，電橋中的兩個(gè)壓力元件會(huì)產(chǎn)生張力;而另外兩個(gè)壓力元件會(huì)產(chǎn)生壓力。用與此對(duì)應(yīng)的電阻值變化量來(lái)度量產(chǎn)生的壓力大小。
信號(hào)調(diào)理
為產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，用一個(gè)恒壓源或者恒流源激勵(lì)電橋。這種電信號(hào)通常很微弱并且受到噪聲、失調(diào)和增益誤差的影響。在對(duì)電橋的輸出信號(hào)數(shù)字化處理之前，必須先將其進(jìn)行放大和失調(diào)處理以便與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入范圍相匹配，然后再濾除噪聲。雖然信號(hào)調(diào)理模塊能夠用運(yùn)算放大器和分立電路元件構(gòu)成，但是集成的儀表密放大器具有節(jié)省成本、印制電路板面積、和設(shè)計(jì)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。
在典型的壓力傳感器應(yīng)用中，電阻電橋輸出的電壓差分信號(hào)(其輸出范圍從幾十到幾百毫伏)與傳感器受到的壓力和對(duì)電橋施加的激勵(lì)電壓成比例。為了精確地從高共模電壓中檢測(cè)出這種微弱的差分輸出電壓，儀表放大器抑制高共模電壓信號(hào)的能力的是非常必要的。例如，12 bit分辯率的ADC要求最低有效位(LSB)小于25 μV(100 mV/4096)，或者相對(duì)2.5 V共模電壓約為100 dB以下。
手動(dòng)電橋補(bǔ)償
壓力傳感器中惠斯通電橋通常都采用手動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ韵鼈兊氖д{(diào)和量程誤差。這需要在儀器制造過(guò)程中包括調(diào)整失調(diào)、失調(diào)溫度漂移、量程和量程溫度漂移的步驟。調(diào)整這些誤差需要時(shí)間和成本。另一方面，通過(guò)一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將一個(gè)可設(shè)置的直流電壓施加到儀表放大器參考引腳也可以調(diào)整失調(diào)電壓。失調(diào)校正是必須的，因?yàn)槭д{(diào)電壓將降低ADC的有用動(dòng)態(tài)范圍。
由于在壓力傳感器中增益的不確定性，使得在大多數(shù)基于儀表放大器的系統(tǒng)中都需要增益調(diào)整。傳統(tǒng)的做法是增加一個(gè)與儀表放大器外部增益電阻器串聯(lián)的調(diào)整電位器。為在較寬的溫度范圍內(nèi)達(dá)到較好的性能水平，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)采取軟件控制增益補(bǔ)償。
集成解決方案
圖1示出一種采用集成的零漂移數(shù)字可編程的信號(hào)調(diào)理器實(shí)例，它提供了從傳感器到ADC的完整信號(hào)路徑。它包括一個(gè)由三個(gè)自動(dòng)調(diào)零放大器(A1，A2，A3)構(gòu)成的儀表放大器、用于調(diào)節(jié)兩級(jí)增益的數(shù)字電位器、一個(gè)用于調(diào)節(jié)失調(diào)的DAC、開(kāi)路和短路檢測(cè)電路、一個(gè)保護(hù)控制系統(tǒng)的輸出鉗位電路和一個(gè)后備的低通濾波器。
圖一AD8555儀表放大器功能框圖
FILT /DIGOUT=濾波器/數(shù)字輸出
為防止傳感器電橋的負(fù)載過(guò)重，差分輸入的兩個(gè)端子(VPOS和VNEG)具有高輸入阻抗和低偏置電流的特性。自動(dòng)調(diào)零電路通過(guò)不斷地修正放大器所產(chǎn)生的直流誤差使失調(diào)和失調(diào)漂移降到最低。
