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轻松应对传感器信号调节所面临的挑战

上网日期: 2010年06月08日 ?? 作者: Nicholas Gray ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:传感器? 惠斯顿桥? 偏移? 放大器?

需要解决的挑战

如前所述,关于传感器有两大挑战需要解决:首先是传感器具有输出偏移,这个偏移可以在图2中的VOFF点加合适的电压进行调整,或者在传感器输出被数字化后用软件消除。如果用软件处理,那么VOFF就变成0伏。

用软件消除偏移的问题在于,限制了可测量的传感器范围。如果偏移是正的,将限制可以测量的最大传感器输出,因为放大的传感器输出可能比期望的更早达到ADC满刻度值。如果偏移是负的,将无法精确测量很小的传感器输出电平,因为在超过放大的偏移值之前,ADC输出代码不会高过零值。

第二个挑战是可能针对传感器满刻度输出的输出电压值范围。例如,标称满刻度输出电压为100mV的传感器可能有这样一个指标,它表明了这种满刻度输出低至50mV和高至150mV的可能性。

如果满刻度传感器输出低于标称值,ADC的满刻度范围就不会使用。如果满刻度传感器输出超过标称值,ADC输出将在传感器输出达到其满刻度之前先达到ADC满刻度输出值。此外,如果传感器输出或放大器本身有漂移,那么在读数时将存在某种不确定性和不精确性。

幸运的是,目前的传感器即使有时间漂移也非常小,仔细选择放大器可以使放大器漂移最小。因此,在制造期间和/或系统上电时,电路增益可以一次调整到位。

达到这个目的的方法之一是使用数模转换器(DAC)调整ADC参考电压VREF,以补偿传感器的满刻度误差,使用另一个DAC调整图2中的VOFF以补偿偏移误差。双通道DAC,如国半的DAXxx2S085(其中“xx”可以是08、10或12,代表DAC分辨率),将是这种应用的理想之选。另外一种方法,是在传感器输出被数字化后,用软件校准这些误差。

解决这两个挑战的最佳方案,是在制造过程和系统启动时的软件校准过程中,调整偏移和增益误差。这种方法允许用软件实现最小误差校准,并保持ADC的最大可用动态范围。

第三个问题是,单端ADC通常要求其输入可以被驱动到非常接近零伏,以产生零输出代码。问题产生的原因是,用于驱动ADC输入的放大器不能产生低于50mV左右的输出。即使所所用的放大器具有轨到轨输出能力,这种现象也很常见。

虽然对某些应用来说,电路无法提供最小的ADC零输出代码没什么关系,但对其它应用来说这却是个问题。对于后者,解决方案包括:

* 给驱动单端输入ADC的放大器提供负电源。

* 使用既带正参考电压又带负参考电压的单端ADC,这些参考电压可以设为比器件地高的值,并相应抵消ADC输入电压。

* 将ADC的地偏置到约100mV。

* 偏移ADC输入,丢弃ADC输出端的一些代码,用软件进行调整

* 使用差分输入ADC。

驱动ADC的放大器使用负电源有个缺点,即系统中可能没有负电源,而单为这个放大器提供一个负电源又似乎不太可行。对此,国半公司的开关电容电压反向器LM2787提供了一种简单的解决方案。

所有ADC都有一个正参考电压和一个负参考电压。这两个参考电压之间的差值就是所谓的ADC“参考电压”。负参考和正参考电压分别定义了输入最小和最大电压。遗憾的是,目前许多ADC内部将负参考电压定义为器件地,这是为了将ADC集成在具有更少外部引脚的更小封装中而作出的牺牲。

提高ADC的地电平通常不是件容易的事。另外,将它偏置得太高可能会出现输出接口问题,因为器件的逻辑低电平将比地偏置值高出一些。然而,这样做与将ADC负参考电压定义为低值(也许70mV至100mV)具有相同的效果。

增加ADC偏移并对ADC满刻度输入值作合适调整是一种可行的方法,但会降低ADC使用的动态范围。这样做相当于提供图2所示的正VOFF,减少放大器增益,以便ADC输入不超过ADC参考电压,并对ADC输出代码进行软件调整。

使用差分输入ADC是一种最好的方法,它能获得ADC零输出代码,在ADC输入端的整个输入电压范围内保持良好的电路线性,并且无需在系统中使用负电压。在这种方法中,差分放大器的输出反馈到ADC的差分输入端,无需差分到单端放大器电路。因此这是一种既简单又不失高效的完美解决方案。

作者: Nicholas Gray

国家半导体公司资深应用工程师


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