低功耗、温度补偿式电桥信号调理器和驱动器,dnf电台二然

Circuits from the Lab®参考电路是经过测试的参考设计，有助于加速设计，同时简化系统集成，帮助并解决当今模拟、混合信号和RF设计挑战。 如需更多信息和/或技术支持，请访问：

连接/参考器件

评估和设计支持

电路评估板

CN-0355评估板(EVAL-CN0355-PMDZ)

系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)

SDP-PMOD转接板(SDP-PMD-IB1Z)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1所示电路是一款适用于电桥型传感器的完整低功耗信号调理器，包括一个温度补偿通道。 该电路非常适合驱动电压介于5 V和15 V之间的各类工业压力传感器和称重传感器。

利用24位Σ-Δ型ADC的内置可编程增益放大器(PGA)，该电路可以处理大约10 mV到1 V的满量程信号，因此它适用于种类广泛的压力传感器。

整个电路仅使用三个IC，功耗仅1 mA（不包括电桥电流）。 比率式技术确保系统的精度和稳定性不依赖于基准电压源。

图1. 带温度补偿的差分电桥型传感器监控器（原理示意图： 未显示所有连接和去耦）

电路描述

图1所示电路基于24位Σ-Δ型ADC AD7793。该ADC有三路差分模拟输入和一个增益范围为单位增益到128的片内低噪声PGA，因此非常适合多个传感器接口。AD7793的最大功耗仅500 μA，因而适合低功耗应用。它内置一个低噪声、低漂移带隙基准电压源，也可采用外部差分基准电压。 输出数据速率可通过软件在4.17 Hz至470 Hz范围内设置。

AD8420是一款低功耗仪表放大器，电源电流最大值为80 μA，可以采用最高36 V的单电源供电，用于消除桥式传感器的共模电压。需要时，它也可为传感器的小差分信号输出提供增益。

ADA4096-2是一款双通道运算放大器，每个放大器的典型电源电流为60 μA，具有最高30 V的宽工作输入电压范围，用于驱动传感器电桥。ADA4096-2的另一半用作基准电压缓冲器。

有很多种类的压力传感器需要5 V至15 V之间的电压驱动。图1所示电路为桥式传感器提供了一种完整的解决方案，包含四个关键部分：传感器电压驱动、仪表放大器、基准电压缓冲器和ADC。

桥式传感器电压驱动

ADA4096-2配置为同相放大器，其配置增益由反馈电阻设置，如图2所示。

图2. 传感器电压驱动

增益通过配置表1列出的跳线来设置。

表1. 特定电压驱动的引脚配置

传递函数计算如下：

VDRIVE

VDRIVE

VREF

VREF

其中，RF可以是40.2 kΩ、91 kΩ或140 kΩ，R8 = 10 kΩ。

NPN晶体管用于提高驱动桥式传感器所需的电流。 提供给ADA4096-2反相输入端的反馈使得反相输入电压等于同相输入电压，从而确保桥式电路上的电压驱动保持恒定的电压。

晶体管Q1为BJT，最大击穿电压为80 V，25°C时功耗为0.35 W。集电极最大电流为500 mA。

仪表放大器

AD8420抑制电桥处产生的共模电压，仅放大差分电桥电压，如图3所示。AD8420具有与输入共模电压完全无关的轨到轨输出电压摆幅。该特性使得AD8420摆脱了大多数传统仪表放大器架构存在的、共模输入和输出电压之间交互作用导致的多种限制。 该仪表放大器的增益设置为1。

图3. AD8420仪表放大器

AD8420的输入端有一个差模噪声滤波器(20 kΩ/1 μF/100 nF)，其带宽为7.6 Hz，还有一个共模噪声滤波器(10 k/100 nF)，其带宽为150 Hz。

传统仪表放大器架构需要使用低阻抗源驱动基准电压引脚， 基准电压引脚上的任何阻抗都会降低共模抑制比(CMRR)和增益精度。 而对于AD8420架构，基准电压引脚上的电阻对CMRR无影响。AD8420的传递函数为：

VOUT = G(VIN+ − VIN−) + VREF

其中：

VREF = 1.05 V

G = 1 + (R12/R10)

在−40°C至+85°C温度范围内，AD8420差分输入电压在内部被二极管限制在±1 V。如果输入电压超过此限值，内部二极管就会开始传导并消耗电流。 电流在内部被限制在保证AD8420安全的值。

基准电压缓冲器

AD7793产生的210 μA激励电流通过5 kΩ电阻，如图4所示。这将产生1.05 V基准电压，然后由ADA4096-2缓冲。缓冲器的输出驱动AD7793和AD8420的基准电压源。 该电路是比率式，因此，5 kΩ电阻上的电压变化（由AD7793产生的210 μA激励电流的5%容差导致）所引起的误差非常小。 该缓冲基准电压还驱动放大器以设置桥式传感器的电压驱动（参见图2）。

图4. 基准电压产生

ADC通道1配置： 桥式传感器

AD7793的通道1测量AD8420的桥式传感器输出。外部VREF (1.05 V)用作基准电压，因此，AD7793的输入电压范围是±1.05 V，以+1.05 V共模电压为中心。

ADC通道2配置： 温度传感器

AD7793的第二通道监控电阻温度检测器(RTD)上产生的电压，该RTD由210 μA激励电流驱动，如图5所示。

尽管100 铂RTD十分常见，但也可指定其他电阻（200 、500 、1000 等）和材料（镍、铜、镍铁）。 本应用采用100 Ω DIN 43,760 A类RTD。

图5. 利用开尔文或4线Pt RTD连接提供高精度

图5所示的4线（开尔文）连接可消除RTD引脚电阻效应。 注意：利用链路P3和链路P4，也可以使用2线、3线或4线配置，如表2所示。

表2. RTD连接的链路配置

如果不需要温度补偿，可利用链路P9旁路RTD。

输出编码

任一通道上输入电压的输出代码为：

代码

AIN × Gain

VREF

其中：

AIN = AIN(+) – AIN(−) = AIN(+) – VREF

Gain为PGA增益设置，N = 24。

电源电压要求

为使电路正常工作，电源电压VCC必须大于6 V，以便为桥式传感器提供最低5 V驱动。

系统校准