工业压力检测应用中对信号调理的要求

工业压力检测应用中对信号调理的要求
作者:Reza Moghimi , 美国模拟器件公司
压力检测在工业过程控制系统中的流行程度仅次于温度检测，是排名第二位的测量技术。

电阻桥路被广泛地用于将物理压力转换为一个电信号输出，以便能够用于控制系统。

通常这些输出信号很微弱，因此在将它们用于检测与控制系统之前需要进行放大、滤波和模数转换。

本文介绍在工业压力检测应用中对信号调理的要求。

压力检测
通过检测机械元件的位移动来测量压力，例如压力表膜片、布尔登气压计、波纹管和膜盒，当它们受到压力作用时会产生位移。

该位移使应变计的电阻值发生改变。

最流行的压力传感器采用的是一种惠斯通（Wheatstone）电阻电桥结构的应变计，其内部是由四个阻值可变的元件构成，因此它具有最佳的线性度和灵敏度。

当膜片受到压力时，电桥中的两个压力元件会产生张力；而另外两个压力元件会产生压力。

用与此对应的电阻值变化量来度量产生的压力大小。

信号调理
为产生一个电信号，用一个恒压源或者恒流源激励电桥。

这种电信号通常很微弱并且受到噪声、失调和增益误差的影响。

在对电桥的输出信号数字化处理之前，必须先将其进行放大和失调处理以便与数模转换器（ADC）的输入范围相匹配，然后再滤除噪声。

虽然信号调理模块能够用运算放大器和分立电路元件构成，但是集成的仪表密放大器具有节省成本、印制电路板面积、和设计时间的优点。

在典型的压力传感器应用中，电阻电桥输出的电压差分信号（其输出范围从几十到几百毫伏）与传感器受到的压力和对电桥施加的激励电压成比例。

为了精确地从高共模电压中检测出这种微弱的差分输出电压，仪表放大器抑制高共模电压信号的能力的是非常必要的。

例如，12 bit分辩率的ADC要求最低有效位（LSB）小于25 μV（100 mV/4096），或者相对2.5 V共模电压约为100 dB以下。

手动电桥补偿
压力传感器中惠斯通电桥通常都采用手动补偿的方法以消除它们的失调和量程误差。

这需要在仪器制造过程中包括调整失调、失调温度漂移、量程和量程温度漂移的步骤。

调整这些误差需要时间和成本。

另一方面，通过一个数模转换器（DAC）将一个可设置的直流电压施加到仪表放大器参考引脚也可以调整失调电压。

失调校正是必须的，因为失调电压将降低ADC的有用动态范围。

由于在压力传感器中增益的不确定性，使得在大多数基于仪表放大器的系统中都需要增益调整。

传统的做法是增加一个与仪表放大器外部增益电阻器串联的调整电位器。

为在较宽的温度范围内达到较好的性能水平，设计工程师应采取软件控制增益补偿。

集成解决方案
图1示出一种采用集成的零漂移数字可编程的信号调理器实例，它提供了从传感器到ADC的完整信号路径。

它包括一个由三个自动调零放大器（A1，A2，A3）构成的仪表放大器、用于调节两级增益的数
字电位器、一个用于调节失调的DAC、开路和短路检测电路、一个保护控制系统的输出钳位电路和一个后备的低通滤波器。

图一AD8555仪表放大器功能框图
FILT /DIGOUT=滤波器/数字输出
为防止传感器电桥的负载过重，差分输入的两个端子（VPOS和VNEG）具有高输入阻抗和低偏置电流的特性。

自动调零电路通过不断地修正放大器所产生的直流误差使失调和失调漂移降到最低。

在－
40 °C～＋125 °C温度范围内，它具有10 μV最大输入失调电压和65 nV/°C最大输入失调电压漂移。

增益可以按每步小于1（具有优于0.4%的分辩率）通过单线串行接口进行设置，其范围为70～1280，两级增益可以单独设置。

利用DigiTrim?技术，通过熔断多晶硅熔丝固定其设置增益。

第一级增益调整是通过调整P1和P2的128步7 bit编码，范围为4.00～6.40共；第二级增益调整是通过调整P3和P4的8步3 bit编码，范围为17.5～200。

在永久性固定设定值之前，为获得最佳校准精度，可暂时地校准值设置、调节和反复调节调整值。

8 bit DAC可提供一个可设置失调电压，用于补偿输入信号的失调误差和（或）给输出信号增加一个固定偏置电压。

例如，该偏置电压可用于处理单电源系统中双极性差分信号。

该输出失调电压可以用正电源和负电源电压之差的0.39%分辩率进行设置。

像增益一样，输出失调电压可暂时地设置、评估和反复调节调整值；然后通过熔断熔丝能够永久性地设置。

单电源供电已经逐步成为当今传感器放大器所希望特性的。

当今许多数据采集系统都采用低压单电源供电。

AD8555采用2.7 V～5.5 V单电源电压工作。

其中A4放大器的输出摆幅与任一电源电压相差7 mV
以内。

故障检测电路防止开路、短路和浮置输入。

任何一种情况发生将导致输出电压被箝位到负电源电压（VSS）。

短路和浮置输入情况还可以在VCLAMP输入端检测到。

可以用一只外部电容器构成一个低通滤波器以便将输出频率范围限制在0～400 kHz。

电桥式传感器信号调理
系统工程师希望相同产品型号的压力传感器都具有几乎相同的性能。

通常，现成的传感器不能满足具备足够精度的这种要求。

一种使传感器之间达到一致性的方法是在制造过程期间进行大量的调整。

如果这些传感器的性能在工作温度范围内具有可重复性，那么一种较好的办法可能是采用这种新一代的可编程放大器以提供放大、增益设定和调整、失调设定和调整以及输出电压箝位，所有这些功能都采用数字化方法。

它们能够用来补偿在桥式传感器中的失调和增益误差，以及提供传感器故障指示。

它们能够采用软件调整，从而使得采用电位器进行补偿成为在制造领域中一项过时的技术。

在传感器用于恶劣和元件密集环境中的许多情况下，检测得益于这种集成化解决方案很宽的工作温度范围和采用一个4 mm×4 mm引脚架构芯片级封装（LFCSP）小的封装尺寸内。

因为AD8555能够驱动很大的电容性负载，所以可将其靠近传感器放置并且可远离信号调理电路。

这种高度的设置灵活性和直流精度使其不同于其它所有解决方案。

结论
AD8555通过集成带有可设置增益、输出失调、故障检测、输出箝位和低通滤波器的零漂移仪表放大器简化了桥式检测系统的设计并且提供了一个完整的从传感器到ADC的信号调理路径。