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电阻桥的高分辨率Σ-Δ转换器(ADC)

时间:2019-02-27 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
天的具有低噪声PGA的24位和16位Σ-ΔADC几乎是测量低速应用中电阻桥的理想解决方案。它们解决了试图将桥的模拟输出数字化的五个主要问题
 
激励电压的变化,Ve
缓冲参考电压输入简化了构建比率系统的任务。电阻分压器和噪声抑制电容是创建跟踪Ve的参考电压所需的唯一元件。在比率系统中,输出对Ve的微小变化不敏感,并且消除了对高精度电压基准的需求。
如果不能选择比率系统,则这些多通道ADC是另一种解决方案。一个ADC通道可用于测量电桥的输出,第二个输入通道可用于测量电桥的激励电压。然后可以使用上面的等式7来校正Ve的变化。
 
共模电压
如果电桥和ADC由相同电源供电,则电桥输出将为1 / 2V DD的差分信号。这些输入条件是大多数高分辨率Σ-Δ转换器的理想选择。此外,它们出色的共模抑制(100 + dB)消除了对小共模电压变化的担忧。
 
偏移电压
电压分辨率在亚μV范围内,桥输出可以直接连接到ADC输入。假设没有热电偶效应,偏移误差的唯一来源是ADC本身。为了减少失调误差,这些转换器中的大多数都具有内部开关,允许它们向输入施加零伏电压并进行测量。然后可以从后续桥测量值中减去该测量值,以消除ADC中的任何偏移。许多ADC自动执行零校准; 在其他情况下,用户必须有意识地校正ADC偏移。这种偏移校正方法可以将偏移误差降低到ADC的噪声水平,可以小于1μVP -P。
 
偏移漂移
在ADC上连续或频繁地使用零校准,使得温度在校准周期之间不会发生显着变化,从而有效地消除了由于温度变化或长期漂移引起的偏移变化。应该注意,偏移读数的变化可以等于ADC峰峰值噪声。如果目标是在相对较短的时间内检测电桥输出的微小变化,最好关闭自动校准功能,因为这样可以消除一个噪声源。
 
噪声
噪声以三种方式解决,其中最明显的是内部数字滤波器。该滤波器实际上消除了高频噪声的影响,并且还可以抑制从电力线拾取的较低频率噪声。电源线频率的正常模式抑制通常优于100dB。第二种降噪形式源于高共模抑制,通常也大于100dB。共模抑制可减少桥接线拾取的不必要噪声,并降低桥接激励电压中的噪声影响。最后,连续零校准可在低于校准更新速率的频率下减少闪烁或1 / F噪声。
 
廉价的技巧
将电桥的输出直接连接到高分辨率sigma-delta ADC的输入并不能解决所有问题。在某些应用中,需要进行信号调节,以使电桥的输出与所用ADC的输入相匹配。这种信号调理属于三大类中的一种:放大,电平转换和差分到单端转换。一个好的仪表放大器将完成所有这些任务,但可能是昂贵的,并且仍然可能缺乏对偏移漂移的担忧。以下电路可以以比仪表放大器更低的成本提供足够的信号调节。
 
单运放
如果放大是唯一需要的,那么简单的电路如图1所示可以工作。乍一看,它看起来是一个糟糕的选择,因为它不平衡并在桥上施加负荷。然而,加载桥(虽然不是所希望的)不一定是个问题。许多桥都是低阻抗的; 350Ω是很常见的。每个输出的阻抗将是其一半,即150Ω。这个150Ω的电阻通过增加R1的电阻来略微降低增益。通过选择低150Ω的R1值可以轻松补偿这种额外的电阻。当然,150Ω值会有一些容差,并且电阻的电阻温度系数(TCR)很多不能精确地匹配R1和R2的TCR。尽管如此,如果R1远大于150Ω,这些影响将非常小。图1中还包括一个零校准开关。

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图1.与低阻抗桥接口的示例。 
 
差分与仪表
对于许多应用,可以使用差分放大器代替仪表放大器。这不仅降低了成本,而且还降低了噪声源的数量和偏移漂移的来源。与上面的放大器一样,必须考虑桥式电阻的值和TRC。
 
双电源
由于其简单性 ,图2中的电路值得一提。桥接输出经过放大,电平转换,仅使用两个运算放大器和两个电阻转换为接地参考信号。此外,该电路使桥上的电压加倍,使输出信号加倍。然而,这种方法存在缺点 - 它需要负电源,并且在使用完全有源电桥时会产生略微非线性的输出。对于仅在一侧具有有源元件的桥,通过在产生-Ve的反馈回路中使用桥的无源侧,可以避免这种线性误差。

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图2.用于连接低阻抗电桥的替代电路图示