1. 传感器基础#

电阻桥式传感器是一种常用的工业过程参数测量工具，主要用于检测温度、压力、流量等物理量。其核心原理基于电阻变化，通过桥式电路将物理量转换为电信号。

• Wheatstone桥是电阻桥式传感器中最常见的拓扑结构。
  • 当压力施加在传感器上时，桥中的两个电阻（RAB和RCD）因压缩而电阻值减小，另外两个电阻（RAD和RBC）因拉伸而电阻值增大。
  • 这种电阻变化会产生一个差分电压（VBD），并通过差分放大器进行放大和处理。

2. 放大器设计#

在电阻桥式传感器的设计中，差分放大器（如仪表放大器，IA）是关键部分。

• 共模电压（VCM）：

  • 共模电压是桥式电路输出端的平均电压，通常等于桥式激励电压（VEXT）的一半。
  • VCM对放大器的输出电压范围（VOUT）有直接影响。例如，若VEXT=5 V，则VCM=2.5 V。
  • 若桥式电路不平衡或VCM超出放大器的输入范围，可能导致输出电压受限，无法充分利用ADC的分辨率。

• 初始输入偏置电压（VOS）：

  • 初始偏置电压是放大器输入端的固有误差电压。
  • 对于传统仪表放大器，该电压随增益变化。
  • 零漂移放大器（如PGA900）因其极低的偏置电压和漂移特性，更适合工业应用。

• 输入偏置电压漂移（ΔVOS/ΔT）：

  • 温度变化会导致偏置电压漂移，影响系统长期稳定性。
  • 零漂移放大器通过内部自校正功能，可有效消除温度对偏置电压的影响。

• 噪声：

  • 放大器的低频噪声（1/f噪声）是工业系统设计中的主要关注点。
  • 零漂移放大器的噪声特性较好，但某些非零漂移放大器在特定频段的噪声表现更优。
  • 设计时需综合考虑放大器的噪声特性，确保其满足系统要求。

3. 模数转换器（ADC）#

高分辨率ADC是电阻桥式传感器信号采集的关键部分。

• 高分辨率Δ-Σ ADC：

  • 24位Δ-Σ ADC具有高精度，适合桥式传感器信号的采集。
  • 通过模数转换器的调制器和数字滤波器，可有效抑制噪声，提高测量精度。

• 噪声免费分辨率：

  • 噪声免费分辨率是ADC在无噪声情况下的理论分辨率。
  • 有效分辨率 = 噪声免费分辨率 + 2.7 bits（基于峰峰值噪声计算）。
  • 例如，PGA900的模数转换器在增益为40 dB时，噪声免费分辨率为13.84 bits，通过数字滤波可提升至16.34 bits。

• 数字滤波：

  • 若ADC输出数据率远高于系统需求，可采用数字滤波进一步降低噪声，提升分辨率。
  • 移动平均滤波器可降低带内噪声，每增加两倍样本数，分辨率提高0.5 bits。

4. 模拟输出阶段#

模拟输出阶段负责将传感器信号转换为可用的模拟信号，通常包括4-20 mA电流环或0-10 V电压输出。

• DAC选择：

  • DAC的性能直接影响输出精度。
  • 16位DAC是常见选择，但具体分辨率需根据系统需求确定。
  • 校准可消除DAC的积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）误差。

• 4-20 mA电流环驱动电路：

  • 该电路需要低静态电流运算放大器，以适应2线制回路的供电限制。
  • 高CMRR（共模抑制比）和PSRR（电源抑制比）可提高电路抗噪声能力。
  • 发射极电阻（RE）的选择需确保输出稳定性和负载瞬变响应。

• 3 V电压输出驱动电路：

  • 该电路要求高电压运算放大器，以满足±10 V或0-10 V的输出需求。
  • 高速补偿网络（由RISO、RF、CF和CL组成）可确保电路稳定性。

5. 结论#

电阻桥式压力传感器在工业过程控制中的设计涉及多个关键环节，包括传感器输入、信号调理、ADC选择和模拟输出驱动。设计师需综合考虑放大器的共模电压、偏置电压漂移、噪声特性，以及ADC和DAC的分辨率和精度。通过合理选择和优化各部分的性能参数，可确保系统在高精度、稳定性和抗干扰能力方面达到最佳状态。