设计示例 - 如何在对电桥传感器进行电路设计时避免陷入困境

　　设计示例

　　假设有一个单电源电桥放大器，如图 4 所示，其中，用 3.3 V 电压来激励电桥并驱动放大器。满量程电桥输出为±15 mV，失调可能处于±25-mV 的范围。为了取得所需灵敏度，放大器增益需为 100，ADC 的输入范围为 0 V 至 3.3 V。由于电桥的输出可以为正，也可以为负，因此，其输出指向中间电源或 1.65 V。只需通过施加 100 的增益，失调本身即会强制使放大器输出处于–0.85 V 至+4.15 V 的范围内，这超过了电源轨。

　　这个问题可通过图 5 所示的电路来解决。电桥放大器A1 是一个像AD8237 一样的ICF仪表放大器。放大器A2，带R4 和R5，将 A1 的零电平输出设为中间电源。 AD5601 8 位DAC对输出进行调整，通过RA使电桥失调为 0。然后，放大器的输出由 AD7091 微功耗 12 位ADC数字化。

　　

　　图 5 针对单电源工作模式而修改的失调移除电路

　　从表1可以发现， 增益为101时， R1和R2 需为1 k?和100 k?。电路包括一个可以在 0 V 至 3.3 V 范围内摆动，或者在 1.65V 基准电压左右摆动±1.65 V。为了计算 RA 的值，我们使用等式 （6）。其中，VA（MAX） = 1.65 V 且 VIN（MAX） = 0.025 V， RA = 65.347 kΩ。当电阻容差为 1%时，最接近的值为 64.9 k?。然而，这没有为源精度和温度变化导致的误差留下任何裕量，因此，我们选择一个常见的 49.9-k? 低成本电阻。这样做的代价是调整分辨率降低了，结果导致略大的调整后失调。

　　从等式（7），我们可以算出额定增益值为 103。如果设计师希望得到接近目标值 100 的增益值，最简单的办法是使 R2 的值降低 3%左右，至 97.6 k?，结果对 RA 的值的影响非常小。在新的条件下，额定增益为 100.6。

　　由于DAC可以摆动±1.65 V，因此，总失调调整范围可通过由RA 以及R1和R2的并联组合形成的分压器给定，其计算方法如下：

　　（10）

　　在±25-mV 最大电桥失调范围内，±32.1-mV 的调整范围可提供 28%的额外调整裕量。对于 8 位 DAC，调整步长为

　　（11）

　　对于 250-µV 调整分辨率，输出端的最大残余失调为 12.5 mV。

　　R3 和 C1 c的值可以通过ADC数据手册中的建议值或参考文献2 来确定。对于采样率为 1 MSPS 的 AD7091，这些值为 51 ? 和 4.7 nF。在以较低速率采样时，可以使用较大的电阻或电容组合，以进一步减少噪声和混叠效应。

　　该电路的另一个优势在于，可以在生产或安装时完成电桥失调调整。如果环境条件、传感器迟滞或长期漂移对失调值有影响，则可重新调整电路。

　　受其真轨到轨输入影响，AD8237 最适合采用超低电源电压的电桥应用。对于要求较高电源电压的传统工业应用，AD8420 不失为一款良好的替代器件。该 ICF 仪表放大器采用 2.7 V 至 36 V 电源供电，功耗低 60%。

　　表 2 是对两款仪表放大器进行了比较。都使用了最小和最大规格。有关更多详情和最新信息，请参见产品数据手册。

　　表 2 AD8237和 AD8420比较

　　

　　参考文献

　　1AN212 Application Note. Handling Sensor Bridge Offset. Honeywell International Inc.， Rev 05-05.

　　2HMC1001/HMC1002/HMC1021/HMC1022 1- and 2-Axis Magnetic Sensors Data Sheet. Honeywell International Inc.， 2008.

　　3Kitchin， Charles and Lew Counts. A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers. 3rd Edition. Analog Devices， Inc.， 2006.

　　4NPC-410 Series Data Sheet. GE Sensing， 2006.

　　5Product Training Module. Indirect Current Feedback Instrumentation Amplifier Applications Guide. Digi-Key Corporation.

　　6Walsh， Alan. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue， Volume 46， 2012.

　　作者简介

　　

Gustavo Castro ［[e-mail]］ 是马萨诸塞州威明顿市精密信号调理部门的应用工程师。 2011 年 1 月加入ADI公司之前， 他曾经从事数字万用表及直流源等高精度仪器仪表设计工作达 10 年。 2000 年，他从墨西哥蒙特利技术学院获得电子工程学士学位。他拥有两项专利。

　　

　　

Scott Hunt ［[e-mail]］ 是线性产品部 （马萨诸塞州威明顿市）的一名产品应用工程师。他获得伦斯勒理工学院电气工程学士学位后，于 2011 年加入ADI。Scott专门从事集成精密放大器技术工作，包括仪表放大器、差分放大器和热电偶放大器。