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比率传感器的基本原理及与模数转换器ADC的配合

本文中所说的比率特点是指器件输出与待丈量和其他电压或电流的比例有关。

传感器和阻性检测元件

许多传感器的输出与其电源电压都是成比例的。这平日是由于孕育发生输出的感应元件是比率器件。最常见的比率元件是电阻器,其阻值随被丈量的变更而变更。电阻式温度检测器(RTD)和应变计都是范例的阻性敏感元件。

阻性元件的比任性是因为其阻抗不能直接丈量。其值是由电阻两真个电压与颠末电阻的电流的比值确定的。

R = V/I 公式1 (欧姆定理)

应用阻性元件的传感器平日令一个电流流过电阻并丈量其电压。在输出传感器之前,可以将该电压进行放大年夜或电平偏移,然则其大年夜小仍旧与流过电阻的电流相关。假如该电流来自于电源电压,那么传感器的输出与电源电压成比例。公式2描述了这类比例传感器的输出(图1),此中Vs是输出旌旗灯号,Ve是勉励电压,S是传感器的灵敏度,P是所测参数的量值,C是传感器的掉调量。

Vs = Ve (P x S + C) 公式2

图1. 比例型传感器

Honeywell?[1] MLxxx-C系列压力传感器是浩繁汽车比例传感器中具有代表性的器件。当在5V标称电源电压下事情时,掉调电压为0.5V,满量程输出为4.5V。假如改变勉励电压,掉调电压和满量程输出会随之按比例变更。

必要知道勉励电压才可应用输出旌旗灯号,这在许多利用中是很未方便的。为了办理这一问题,制造商在电路上增添了一个电压基准。这种器件可供给异常正确的电压,并与温度和电源电压无关。假如流经感应电阻的电流来自于基准电压,那么公式2中的Ve可用一个常数调换。从而获得公式3,此中的新常数包孕在S2和C2之中。

Vs = P x S2 + C2 公式3

由于输出旌旗灯号仅为被测参数的函数,以是公式3不是比例关系。Honeywell公司的MLxxx-R5系列压力传感器便长短比例传感器。当在7V和35V之间的任何电源电压下事情时,掉调都是1V,满量程输出为6V。

模数转换器ADC)与阻性器件

用于将传感器旌旗灯号数字化的ADC也是比例器件。无论其内部架构若何,所有ADC都是经由过程对未知输入电压与已知参考电压相对照来事情的。转换器的数字化输出是输入电压与参考电压的比值乘以ADC的满量程读数。斟酌到内部放大年夜和设计的多样性,还必要一个比例因子K。无论K值大年夜小,只要ADC的设置设置设备摆设摆设未改变,K值都维持固定不变。公式4描述了一个普遍意义上的ADC (图2)的数字读数(D)和输入旌旗灯号(Vs),参考电压(Vref),满量程读数(FS)以及比例因子(K)间的关系。

D = (Vs/Vref)FS x K 公式4

图2. 普遍意义上的模数转换器

参考电压的与ADC的详细设计有关。在一些ADC中参考电压是电源电压,而在另一些ADC中参考电压来自于内部基准源,在其他设计中,用户必须将参考电压连接至ADC的Vref输入端。假如应用了内部或外部电压基准,使参考电压成为一个衡定值,则公式4可简化为公式5,此中K2是一个新的常数,其值为FS x K/Vref。

D = Vs x K2 公式5

传感器的丈量

由一个非比例传感器和具有固定参考电压的ADC组成的小系统的输出可经由过程将公式3 (传感器的输出)中的Vs (ADC的输入)代入公式5中获得。如公式6所示。

D = P x S2K2 + C2K2 公式6

公式6给出了所需切实着实切关系。数字量值(D)大年夜小与P的变更成比例,并且仅受P改变的影响。D不受温度和电源电压变更的影响。

省去电压基准

使用电压基准稳定传感器和ADC是一种有效且需要的技巧。然而,并非老是最好的技巧。

本文的另外部分将评论争论若何创造性地使用ADC的参考电压输入,从而省去许多传感器电路中的电压基准和电流源。这种设计节省了元件资源、电路板空间以及电压“净空”。因为省去了电压基准,非抱负基准相关的偏差也不复存在,是以精度也有所改良。这种技巧已在汽车工业中利用多年。传感器和ADC与电源电压的比例关系一经确定,便无需正确的电压基准。

与之相似的采纳电流驱动传感器和单元件阻性传感器(如RTD)的技巧已不常用了。这些电路中ADC的灵敏度会随温度或电源电压的变更而变更。虽然如斯,ADC和传感器输入的组合照样相称稳定的。

与电源电压成比例的传感器

将公式2中的输入旌旗灯号(Vs)代入公式4,便可获得丈量比例传感器时ADC的输出。得出公式7,该公式表示:D是P,Ve和Vref的函数。

D = P(S x FS x K x Ve/Vref) + C(FS x K x Ve/Vref) 公式7

乍一看,公式7中的措施彷佛并不抱负,由于输出(D)是三个变量的函数,而并非仅仅是P的函数。然而,仔细察看会发明:Ve/Vref的比值是异常紧张的,零丁的数值并无太多意义。假如Ve和Vref电压来自同一个电源,则很轻易获得恒定的Ve/Vref比值。一旦这样的话,D将与P的变更成比例,并且只与P的变更有关。设Ve/Vref比值为一个常数,公式7可简化为与公式6相似的形式。是以,这就阐明无需电压基准也能实现相同的机能。

从实际利用的角度来看,Ve和Vref必须足够大年夜,这样才能避免噪声滋扰;同时Ve和Vref还必须处于ADC和传感器所指定的范围内。用正电源电压作为Ve和Vref的电压源平日可以满意上述要求,并且容许为大年夜量并联的传感器供电,如图3[2]所示。

图3中MAX1238的前端有一个12输入的多路复用器,且内置一个电压基准。在这种环境下,虽没有与ADC基准有关的附加资源,然则如要给10个传感器中的每个都增添基准则会使资源显着增添。 MAX1238还容许AN11输入作为参考电压。将AN11作为参考输入并将其连接至5V电源,可设置ADC的满量程输入为5V,并便于与比例型传感器共同应用。在图3中,MAX1238的内部参考电压并非闲置。可用软件节制内部电压基准并用于诊断,如丈量电源电压。可经由过程连接到输入AN10的分压器来实现。

图3. MAX1238 ADC容许AN11输入作为参考电压,是以,ADC可与比例传感器共同应用。

图3的拓扑异常得当汽车利用和那些由单电源供电,供电线路上压降很小的利用。并不得当那些事情中必须应用长导线的传感器或者是ADC和传感器由不合电源供电的利用。

电流驱动的电桥

在低噪声情况或者系统中,若压力传感器紧挨ADC放置,可能没有需要应用带旌旗灯号放大年夜的传感器。在这些利用中,低资源桥式输出传感器更得当。为了低落传感器资源,同时在全部温度范围内供给优越的机能,许多此类压力传感器,如Nova Sensor公司的NPI-19系列[3]都是由电流源供电而不是电压源供电。(更具体的叙述请拜见附录1)。公式8给出了这种电流驱动的传感器的输出,此中Ie是勉励电流。

Vs= Ie (S x P+C) 公式8

图4给出了一个常用于桥式输出传感器的电流源。该电流源由一个低温度系数电阻,一个运算放大年夜器及一个电压基准组成。假如ADC和压力传感器整合于一个部件中,则电流源的电压基准也可为ADC供给参考电压。在图4的电路中,电压基准同时被用来稳定传感器和ADC,使它们不受变更的温度和电源电压的影响。

图4. 该设计中电流驱动传感器的电流源由一个电阻,一个运算放大年夜器和一个电压基准组成。

与图4类似的另一种措施如图5所示的电路,无需电流源或电压基准。必要留意的是:虽然传感器和ADC的组合在全部温度范围内都很稳定,然则ADC和传感器都具有很大年夜的温漂。假如零丁丈量,传感器的灵敏度将随温度的升高而低落,而ADC的灵敏度则升高。因为在全部温度范围内ADC输出不是稳定的,以是将该措施用于ADC有多路输入的电路时必须分外小心。

图5. 传感器和ADC组合的另一种设计措施,无需自力的电流源或电压基准。

从图5可以得出公式9:

Vref = Ie x R1 公式9

将公式9中的Vref和公式8中的Vs代入上述ADC的公式4 ,得出公式10。

D = [Ie (S x P+C)/(Ie x R1)](FS x K) 公式10

由于分子和分母中含有勉励电流(Ie),是以可消去。由此可获得公式11,表示输出与勉励电流无关。假如将公式11中的常数项合并,将再次得出与公式6等效的公式:带有电压基准的系统。

D = P(S x FS x K/R1)+C(FS x K/R1) 公式11

假如R1作为一个常数,它必须具有较低的温度系数。与图4比拟,图5要求R1具有优越的温度稳定性,这并不是其毛病,由于图4中的电阻也必须具有优越的温度稳定性。

公式11中没有R2,而且电路中也不必要R2。然则,对R2进行阐发是为了阐明它并不影响ADC读数。R2可用另一个电流驱动的压力传感器、RTD或一个固态开关的电阻代替,而不会影响ADC读数。

理论上,可以采纳多通道输入ADC和数个串联驱动的电流型传感器。然而,传感器串联会使得勉励电流(Ie),传感器旌旗灯号(Vs)以及参考电压(Vref)更低。当传感器串联时,必要分外留意对ADC Vref的要求及系统噪声。

RTD

RTD是另一种平日与电流源共同应用的传感器。RTD的常用材料是铂,平日具有约3,800ppm/°C的正温度系数。丈量RTD的传统措施是将其作为电阻桥的一个端子。然而,在实际利用中,很少应用电阻桥。低资源高分辨率ADC的存在在,使得只需驱动一个电流流过RTD,并直接丈量RTD两真个电压这种简单规划更为经济。这种措施避免了非平衡桥的非线性问题,并且省去了组成电阻桥的三个周详电阻。

图6中的电路也无需使用电桥或者稳定的电流源来丈量RTD (Rt)。该电路只必要一个稳定的基准电阻(R1)和一个低等级的限流电阻即可。

图6. 无需电阻桥或稳定电流源来丈量Rt的电路

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