原创 传感器与A/D接口的设计

       本文主要讨论一下比率传感器（指器件输出与待测量和其他电压或电流的比例有关）的基本原理及其与模数转换器(ADC)配合使用的一些原理和改正的方法。

       许多传感器的输出与其电源电压都是成比例的。这通常是因为产生输出的感应元件是比率器件。最常见的比率元件是电阻器，其阻值随被测量的变化而变化。电阻式温度检测器(RTD)和应变计都是典型的阻性敏感元件。阻性元件的比率性是由于其阻抗不能直接测量。其值是由电阻两端的电压与经过电阻的电流的比值确定的。

           R = U/I 公式1 (欧姆定理)

        使用阻性元件的传感器通常令一个电流流过电阻并测量其电压。在输出传感器之前，可以将该电压进行放大或电平偏移，但是其大小仍然与流过电阻的电流相关。如果该电流来自于电源电压，那么传感器的输出与电源电压成比例。公式2描述了这类比例传感器的输出(图1)，其中Vs是输出信号，Ve是激励电压，S是传感器的灵敏度，P是所测参数的量值，C是传感器的失调量。

          Vs = Ve (P x S + C)     公式2

                     
                                    图1. 比例型传感器

        需要知道激励电压才可使用输出信号，这在许多应用中是很不方便的。为了解决这一问题，制造商在电路上增加了一个电压基准。这种器件可提供非常精确的电压，并与温度和电源电压无关。如果流经感应电阻的电流来自于基准电压，那么公式2中的Ve可用一个常数替换。从而得到公式3，其中的新常数包含在S₂和C₂之中。

                              Vs = P x S₂ + C₂ 公式3

因为输出信号仅为被测参数的函数，所以公式3不是比例关系。

        用于将传感器信号数字化的ADC也是比例器件。无论其内部架构如何，所有ADC都是通过对未知输入电压与已知参考电压相比较来工作的。转换器的数字化输出是输入电压与参考电压的比值乘以ADC的满量程读数。考虑到内部放大和设计的多样性，还需要一个比例因子K。无论K值大小，只要ADC的配置未改变，K值都保持固定不变。公式4描述了一个普遍意义上的ADC (图2)的数字读数(D)和输入信号(Vs)，参考电压(Vref)，满量程读数(FS)以及比例因子(K)间的关系。

                                 D = (Vs/Vref)FS x K 公式4

                 
                                     图2. 普遍意义上的模数转换器

        参考电压的来源与ADC的具体设计有关。在一些ADC中参考电压是电源电压，而在另一些ADC中参考电压来自于内部基准源，在其他设计中，用户必须将参考电压连接至ADC的Vref输入端。如果使用了内部或外部电压基准，使参考电压成为一个衡定值，则公式4可简化为公式5，其中K₂是一个新的常数，其值为FS x K/Vref。

                                            D = Vs x K₂ 公式5

        由一个非比例传感器和具有固定参考电压的ADC组成的小系统的输出可通过将公式3 (传感器的输出)中的Vs (ADC的输入)代入公式5中得到。如公式6所示。

                                              D = P x S₂K₂ + C₂K₂ 公式6

公式6给出了所需的确切关系。数字量值(D)大小与P的变化成比例，并且仅受P改变的影响。D不受温度和电源电压变化的影响。

       利用电压基准稳定传感器和ADC是一种有效且必要的技术。然而，并非总是最好的技术。本文的其余部分将讨论如何创造性地利用ADC的参考电压输入，从而省去许多传感器电路中的电压基准和电流源。这种设计节省了元件成本、电路板空间以及电压“净空”。由于省去了电压基准，非理想基准相关的误差也不复存在，因此精度也有所改善。这种技术已在汽车工业中应用多年。传感器和ADC与电源电压的比例关系一经确定，便无需精确的电压基准。与之相似的采用电流驱动传感器和单元件阻性传感器(如RTD)的技术已不常用了。这些电路中ADC的灵敏度会随温度或电源电压的变化而变化。虽然如此，ADC和传感器输入的组合还是相当稳定的。将公式2中的输入信号(Vs)代入公式4，便可得到测量比例传感器时ADC的输出。得出公式7，该公式表示：D是P，Ve和Vref的函数。

                      D = P(S x FS x K x Ve/Vref) + C(FS x K x Ve/Vref) 公式7

         乍一看，公式7中的方法似乎并不理想，因为输出(D)是三个变量的函数，而并非仅仅是P的函数。然而，仔细观察会发现：Ve/Vref的比值是非常重要的，单独的数值并无太多意义。如果Ve和Vref电压来自同一个电源，则很容易得到恒定的Ve/Vref比值。一旦这样的话，D将与P的变化成比例，并且只与P的变化有关。设Ve/Vref比值为一个常数，公式7可简化为与公式6相似的形式。因此，这就说明无需电压基准也能实现相同的性能。从实际应用的角度来看，Ve和Vref必须足够大，这样才能避免噪声干扰； 同时Ve和Vref还必须处于ADC和传感器所指定的范围内。用正电源电压作为Ve和Vref的电压源通常可以满足上述要求，并且允许为大量并联的传感器供电。[待续]