低阻壓阻壓力變送器的設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

摘要:采用AD公司的AD693數(shù)字信號(hào)調(diào)理芯片,設(shè)計(jì)了一款低阻壓阻壓力變送器,給出了詳細(xì)的應(yīng).用電路設(shè)計(jì)方案,并且進(jìn)行了相應(yīng)的靜態(tài)測(cè)試.測(cè)試數(shù)據(jù)表明,該變送器在20℃~60℃范圍內(nèi)具有優(yōu)良的靜態(tài)性能,以及非常理想的時(shí)漂,穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.1%.
0前言
　　擴(kuò)散硅壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的,具有體積小、成本低、精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn),在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用1,2].擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)因擴(kuò)散表面雜質(zhì)濃度不同導(dǎo)致薄層電阻大小各異而不一樣.但工藝上難于做到4個(gè)P型橋臂電阻的溫.度系數(shù)完全相同,則不可避免地產(chǎn)生“溫度變化時(shí),并無(wú)外力作用仍有電阻值的變化.所采用的低阻壓阻壓力傳感器,制作時(shí)采用了提高表面摻雜濃度的特殊工藝,減小了硅片的薄層電阻,從而降低了電阻的溫度系數(shù),具有更好的溫度穩(wěn)定性.
　　結(jié)合低阻壓阻壓力傳感器的特點(diǎn),提出低阻壓阻壓力變送器的電路設(shè)計(jì)方案,并給出相關(guān)的性能測(cè)試數(shù)據(jù).
1數(shù)字信號(hào)調(diào)理芯片的選擇
　　針對(duì)低阻壓阻壓力傳感器的低阻特性,需要為變送器選擇合適的數(shù)字信號(hào)調(diào)理芯片.主要從以下3個(gè)方面考慮:
(1)變送器所要求的信號(hào)傳輸方式是4mA~20mA,所以在芯片選擇上優(yōu)先考慮環(huán)流變送芯片[4].
(2)壓阻壓力傳感器可以采用恒壓源供電,也可以采用恒流源供電,但恒壓源供電與恒流源供電相比存在環(huán)境溫度難以消除的問(wèn)題[5].而恒流源供電,電橋輸出僅與電流的大小和精度有關(guān),不受溫度的影響.
因此優(yōu)先選擇恒流源供電方式.
(3)由于激勵(lì)對(duì)象是低阻電橋,電橋橋壓很小,所選芯片需要能夠?qū)π⌒盘?hào)進(jìn)行放大.
　　模擬器件公司(ADI)開(kāi)發(fā)的AD693芯片,能夠很好地滿(mǎn)足以上需要.AD693是4mA~20mA兩線制輸出變送器功能模塊電路,它是一個(gè)完整的單片低電壓/電流變換的回路信號(hào)調(diào)節(jié)器,采用閉環(huán)電源工作,輸出量程和零點(diǎn)單獨(dú)可調(diào),有3種輸出范圍(4mA~20mA、0mA~20mA、12±8mA)可供選擇,能自己供給傳感器工作電壓也可以直接與壓力傳感器相連接.所以是一種比較理想的高集成度單片功能模塊電路.
 
　　AD693的原理圖及管腳,如圖1所示,主要由4部分組成.其中,第1部分是檢測(cè)電路信號(hào)放大器.第2部分是V/I轉(zhuǎn)換部分,提供4mA~20mA環(huán)路電流,由第1部分的放大器進(jìn)行驅(qū)動(dòng).第3部分提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓,可用不同的電壓來(lái)設(shè)置不同的“零位”電流.除這3個(gè)主要部分之外,還有一個(gè)芯片輔助放大器,這個(gè)放大器可用于激勵(lì)變送器.
2應(yīng)用電路設(shè)計(jì)
2.1電橋激勵(lì).
　　利用AD693的基準(zhǔn)電壓和輔助放大器,對(duì)電橋進(jìn)行電流激勵(lì),如圖2所示.圖中,1(AUX)腳接限流電阻,配合2(AUX)腳的基準(zhǔn)電壓輸入(由芯片分壓網(wǎng)絡(luò)提供),可以控制20腳恒流輸出.此限流電阻與芯片內(nèi)部100n電阻(5腳和6腳之間)配合使用.
 
2.2信號(hào)輸入
　　電橋的信號(hào)輸人,對(duì)應(yīng)芯片的第17,18管腳,如圖3所示.
　　信號(hào)經(jīng)G,緩沖,再由A和G,構(gòu)成的閉環(huán)放大.A的輸出信號(hào)再送V/I轉(zhuǎn)化.通常放大增益由內(nèi)部的兩個(gè)800Ω的電阻來(lái)決定.當(dāng)輸人信號(hào)為0~30mV時(shí),放大2倍后輸出為0~60mV,若信號(hào)比較大時(shí),可以短路15.16腳,使得A和G,構(gòu)成的閉環(huán)放大倍數(shù)為1.也可以配備電阻來(lái)調(diào)整增益的大小,以調(diào)節(jié)輸人滿(mǎn)度的校準(zhǔn)(滿(mǎn)度調(diào)節(jié)).
2.3V/I轉(zhuǎn)換
　　由放大器A送人的信號(hào)SIN進(jìn)入G2將其放大后的輸出信號(hào)與G21的輸出信號(hào)相比較,將差值送人高增益放大器A2放大后控制NPN晶體管,使其輸出達(dá)到與G2輸人相應(yīng)的電流信號(hào).V/I變換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.2666A/V,所以當(dāng)由16腳(正向)和12腳(反向)輸人75mV信號(hào)時(shí),將產(chǎn)生20mA的電流輸出,如.圖4所示.
2.4調(diào)零調(diào)滿(mǎn)電路
　　由于傳感器是低阻抗應(yīng)變電橋,對(duì)其在2mA供電時(shí),它的橋壓是1.768V,在1MP壓力下電橋滿(mǎn)度輸出24.5mA<30mA,筆者選擇放大器增益2倍以達(dá)到一個(gè)60mV的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)V/I轉(zhuǎn)換部分來(lái)達(dá)到滿(mǎn)度20mA的輸出(還有15mV的零位電壓,疊加之后為75mV,正好驅(qū)動(dòng)20mA滿(mǎn)度電流).
　　最大測(cè)量電壓小于30mV時(shí),在P1(15腳)和6.2V(14腳)之間外加一個(gè)電阻Rg,使信號(hào)放大器的增益為2.當(dāng)輸人0~30mV信號(hào)時(shí),通過(guò)V/I轉(zhuǎn)換,輸出4mA~20mA電流.外加電阻的阻值按下式計(jì)算:
 
　　傳感器應(yīng)變電橋在零位的時(shí)候輸出不一-定是零,可以由一個(gè)滑動(dòng)變阻器X502調(diào)節(jié),使得零位達(dá)到4mA輸出,從而也使得零位調(diào)節(jié)更加方便.
3總體電路
　　綜上所述,由低阻電橋輸人信號(hào)到AD693的17和18腳,通過(guò)調(diào)零和調(diào)滿(mǎn),配合C9013晶體管可以提高驅(qū)動(dòng)能力,從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的小信號(hào)放大,輸出標(biāo)準(zhǔn)4mA~20mA信號(hào),整體原理電路圖,如圖6所示.
4變送器靜態(tài)性能測(cè)試
　　將變送器接上工作電源(24V),測(cè)得變送器的溫漂記錄、線性記錄和時(shí)漂記錄,如表1~表3所示.
 
 
5結(jié)束語(yǔ)
　　介紹了擴(kuò)散硅低阻壓阻壓力變送器的設(shè)計(jì),詳細(xì)地闡述了相應(yīng)電路的設(shè)計(jì)方法;并進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明,該變送器具有優(yōu)良的靜態(tài)性能,在20℃~60℃范圍內(nèi)可以達(dá)到較好的靜態(tài)性能,具有非常理想的時(shí)漂,其穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.1%.