如何实现大信号输出的硅应变计与模数转换器(ADC)的接口

电压分辨率

ADC能够接受的最小电压分辨率可根据传感器能够检测到的最小压力变化所对应的VOUT得到。极端情况为使用最低灵敏度的传感器，在最高温度和最低供电电压下进行测量。注意，公式(1)中的偏移项不影响分辨率，因为分辨率仅与压力响应有关。使用公式(1)以及上述假设可得：

VOUTmin=4.75V×(0.05psi/count×150μV/V/psi×(1+(-2500×10-6/℃)×(85℃-25℃))

≈30.3μV/count

所以，最低ADC电压分辨率为30μV/ count。

ADC的输入范围

ADC的输入范围取决于最大输入电压和最小电压。根据公式1，产生最大VOUT的条件：最大压力100psi、最低温度- 40℃、最大电源电压5.25V和3mV/V的偏移、-15μV/V/℃的偏移温度系数、-2500×10-6/℃的TCS以及 300μV/V/psi的最高灵敏度。最小信号一般都在无压力(P=0)，电源电压为5.25V、-3mV/V的偏移、-40℃的温度以及OTC等于+ 15μV/V/℃的情况下出现。

再次使用公式(1)以及上述假设可得：

VOUTmax=5.25V×(100psi×300μV/V/psi×(1+(-2500×10-6/℃)× (-40℃-25℃))+3mV/V+(-0.015mV/V/℃)×(-40℃-25℃))=204mV

VOUTmin = 5.25×(-3mV/V + ( 0.015mV/V/℃×(-40℃-25℃)))=-21mV

因此，ADC的输入范围是-21～+204mV。

分辨率

适用于本应用的ADC应具有-21～+204mV 的输入范围和30μV/count的电压分辨率。该ADC的编码总数为(204mV + 21mV)/(30μV/count)=7500，动态范围稍低于13位。如果传感器的输出范围与ADC的输入范围完全匹配，那么一个13位的转换器就可 以满足需要。由于-21～+204mV的量程与通常的ADC输入范围都不匹配，因此要么对输入信号进行电平移动和放大，要么选用更高分辨率的ADC。幸运 的是，当前Σ-Δ转换器的分辨率很高，具有双极性输入和内部放大器，使高分辨率ADC的使用变为现实。这些Σ-ΔADC提供了更为经济的方案，而不需要增 加其他元器件。这不仅减小了电路板尺寸，还避免了放大和电平移位电路所引入的漂移误差。

工作于5V电源的典型Σ-Δ转换器，采用2.5V参考电压，具有±2.5V的输入电压范围。为了满足我们对于压力传感器分辨率的要求，这种ADC的 动态范围应当是：(2.5V - (- 2.5V)) /(30μV/count)=166 667，这相当于17.35位的分辨率，很多ADC都能满足该要求，例如18位的MAX1400。如果选用SAR ADC，则产生很大的浪费，因为这是将18位转换器用于13位应用，且只产生11位的结果。然而，选用18位(17位加上符号位)的Σ-Δ转换器更为现 实，尽管三个最高位其实并没有使用。因为除了廉价外，Σ-Δ转换器还具有高输入阻抗和很好的噪声抑制特性。

18位ADC可以用内置放大器的低分辨率转换器来代替，例如16位的MAX1416。其8倍的增益相当于将ADC转换结果向高位移了3位，从而利用 了全部的转换位并将转换需求减少到15位。不过要选用无增益的高分辨率转换器，还是有增益的低分辨率转换器，就要看具体情况下的增益和转换速率下的噪声规 格。Σ-Δ转换器的有效分辨率通常受到噪声的限制。

温度测量

如果测量温度仅仅是为了对压力传感器进行补偿，那么温度测量不要求十分准确，只要测量结果与温度的对应关系具有足够的可重复性即可，这样将会有更大 的灵活性和较宽松的设计要求。对于硅压力传感器，有三个基本的设计要求：避免自加热，具有足够的温度分辨率，保证在ADC的测量范围之内。

使最大Vt电压接近于最大压力信号有利于采用相同的ADC和内部增益来测量温度和压力。本例中的最大输入电压为+ 204mV，考虑到电阻的误差，最高温度信号电压可保守地选择为+180mV。将Rt上的电压限制到+180mV也有利于避免Rt的自加热问题。一旦最大 电压选定，根据在85℃ (Rt=132.8Ω)，VB=5.25V的条件下产生该最大电压可以计算得到R1。R1的值可通过公式(3)进行计算，公式中的Vtmax是RT上所允许的最大压降。温度分辨率等于ADC的电压分辨率除以Vt的温度敏感度。公式(4)给出了温度分辨率的计算方法。(注意：本例计算的是最小电压分辨率，是一种较为保守的设计。你也可以使用实际的ADC无噪声分辨。)

R1= Rt×(VB/Vtmax-1) (3)

R1=132.8Ω×(5.25V/0.18V-1)≈3.7kΩ

TRES=VRES×(R1 + Rt)2/(VB×R1×ΔRt/℃) (4)

这里，TRES是ADC所能分辨的摄氏温度测量分辨率。

TRES=30μV/count×(3700Ω+ 132.8Ω)2/(4.75V×3700Ω×0.38Ω/℃)≈0.07℃/count

0.07℃的温度分辨率足以满足大多数应用的要求。但是，如果需要更高的分辨率，有以下几个选择：使用一个更高分辨率的ADC;将RTD换成热敏电阻，或将RTD用于电桥，以便在ADC中能够使用更高的增益。

注意，要得到有用的温度结果，软件必须对供电电压的变化进行补偿。另外一种代替方法是将R1连接到VREF，而不是VB。这样可使Vt不依赖于VB，但也增加了参考电压的负载。

结论

硅压阻公式应变计比较高的输出幅度使其可以直接和低成本、高分辨率Σ-ΔADC接口。这样避免了放大和电平移位电路带来的成本和误差。另外，这种应变计的热特性和ADC的比例特性可被用来显著降低高精度电路的复杂程度。