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工业过程控制系统中电阻桥式压力传感器的设计要点
1. 传感器基础：Wheatstone 桥的平衡与非线性
电阻桥式传感器的核心是 Wheatstone 桥，其优势在于能够将微小的电阻变化转化为易于测量的电压信号。
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工作原理：
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全桥配置：当压力施加时，相对的两个桥臂（如 ）受压电阻减小，另两个（）受拉电阻增大。
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输出公式：。
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比率测量（Ratiometric）建议： 为了抵消激励电压 的波动，建议将 ADC 的参考电压 直接取自 。这样，即使电源有波动，数字化后的比值依然保持稳定。
2. 放大器设计：抑制误差源
仪表放大器（IA）是信号链的第一道关口，其性能直接决定了系统的底噪和精度。
2.1 共模电压（）与钻石图（Diamond Plot）
- 挑战：桥式输出的 通常为 。如果选用单电源供电，必须确保放大器在 共模输入时仍有足够的输出摆幅。
- 设计技巧：使用芯片厂商提供的“钻石图”工具验证输入共模与输出电压范围的合法性。
2.2 零漂移（Zero-Drift）技术
- 1/f 噪声抑制：工业应用多为准静态信号，放大器的低频（1/f）噪声是最大干扰。
- 自稳零（Auto-zeroing）：如 PGA900 等专用集成电路，通过内部斩波（Chopping）技术将 漂移降低至 级别，彻底消除温漂影响。
3. 模数转换器（ADC）：从位数到有效精度
24 位 ADC 是标准配置，但“24位”不等于“24位精度”。
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噪声免费分辨率（Noise-Free Resolution）： 由于 ADC 内部存在热噪声，实际可用的位数取决于峰峰值噪声：
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过采样与数字滤波： 通过降低数据输出速率（ODR），数字滤波器可以滤除更多高频噪声。每当采样频率降低 4 倍，信噪比（SNR）理论上可提升 6dB，即增加 1 bit 的分辨率。
4. 模拟输出阶段：4-20mA 电流环设计
在工业现场，4-20mA 电流环因其极强的抗干扰能力和断线检测功能而被广泛采用。
4.1 2 线制（Loop-Powered）供电约束
- 低功耗挑战：整个信号调理电路（包括传感器、PGA、MCU）的总消耗必须低于 3.5mA，以确保在输出 4mA 电流时系统仍能正常工作。
- 驱动电路：通常使用运算放大器配合三极管（BJT）构成受控电流源。
4.2 输出稳定性与 RISO 补偿
- 容性负载隔离：工业电缆可能长达数百米，具有巨大的寄生电容。
- 补偿网络：必须在输出端增加隔离电阻 和反馈电容 ，以防止长电缆引起运放高频振荡。
5. 结论
设计一个高精度的工业压力变送器，本质上是在管理误差预算。
- 传感器端：采用比率测量方案。
- 调理端：选用零漂移仪表放大器。
- 采集端：利用 ADC 的过采样特性。
- 输出端：在电流环设计中平衡低功耗与稳定性。
通过这一系列优化，可以确保传感器在恶劣的工厂环境下依然提供稳定、可靠的压力数据。
工业过程控制系统中电阻桥式压力传感器的设计要点
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