电路笔记
Circuits from the Lab®参阅电路是经过测验的参阅规划，有助于加快规划，一起简化体系集成，协助并处理当今模仿、混合信号和RF规划应战。 如需更多信息和/或技能支撑，请拜访：www.analog.com/CN0355
衔接/参阅器材
评价和规划支撑
电路评价板
CN-0355评价板(EVAL-CN0355-PMDZ)
体系演示渠道(EVAL-SDP-CB1Z)
SDP-PMOD转接板(SDP-PMD-IB1Z)
规划和集成文件
原理图、布局文件、物料清单
电路功用与优势
图1所示电路是一款适用于电桥型传感器的完好低功耗信号调度器，包含一个温度补偿通道。 该电路非常适宜驱动电压介于5 V和15 V之间的各类工业压力传感器和称重传感器。
运用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，因此它适用于品种广泛的压力传感器。
整个电路仅运用三个%&&&&&%，功耗仅1 mA（不包含电桥电流）。 比率式技能保证体系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： 未显现一切衔接和去耦）
电路描绘
图1所示电路根据24位Σ-Δ型ADC AD7793。该ADC有三路差分模仿输入和一个增益规模为单位增益到128的片内低噪声PGA，因此非常适宜多个传感器接口。AD7793的最大功耗仅500 μA，因此适宜低功耗运用。它内置一个低噪声、低漂移带隙基准电压源，也可选用外部差分基准电压。 输出数据速率可经过软件在4.17 Hz至470 Hz规模内设置。
AD8420是一款低功耗外表放大器，电源电流最大值为80 μA，可以选用最高36 V的单电源供电，用于消除桥式传感器的共模电压。需求时，它也可为传感器的小差分信号输出供给增益。
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的宽作业输入电压规模，用于驱动传感器电桥。ADA4096-2的另一半用作基准电压缓冲器。
有许多品种的压力传感器需求5 V至15 V之间的电压驱动。图1所示电路为桥式传感器供给了一种完好的处理方案，包含四个要害部分：传感器电压驱动、外表放大器、基准电压缓冲器和ADC。
桥式传感器电压驱动
ADA4096-2装备为同相放大器，其装备增益由反应电阻设置，如图2所示。
图2. 传感器电压驱动
增益经过装备表1列出的跳线来设置。
表1. 特定电压驱动的引脚装备
传递函数核算如下：
VDRIVE
VDRIVE
VREF
VREF
其间，RF可以是40.2 kΩ、91 kΩ或140 kΩ，R8 = 10 kΩ。
NPN晶体管用于进步驱动桥式传感器所需的电流。 供给给ADA4096-2反相输入端的反应使得反相输入电压等于同相输入电压，然后保证桥式电路上的电压驱动坚持稳定的电压。
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。
外表放大器
AD8420按捺电桥处发生的共模电压，仅放大差分电桥电压，如图3所示。AD8420具有与输入共模电压彻底无关的轨到轨输出电压摆幅。该特性使得AD8420摆脱了大多数传统外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约束。 该外表放大器的增益设置为1。
图3. AD8420外表放大器
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 kΩ/100 nF)，其带宽为150 Hz。
传统外表放大器架构需求运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下降共模按捺比(CMRR)和增益精度。 而关于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
其间：
VREF = 1.05 V
G = 1 + (R12/R10)
在−40°C至+85°C温度规模内，AD8420差分输入电压在内部被二极管约束在±1 V。假如输入电压超越此限值，内部二极管就会开端传导并耗费电流。 电流在内部被约束在保证AD8420安全的值。
基准电压缓冲器
AD7793发生的210 μA鼓励电流经过5 kΩ电阻，如图4所示。这将发生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电阻上的电压改变（由AD7793发生的210 μA鼓励电流的5%容差导致）所引起的差错非常小。 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（拜见图2）。
图4. 基准电压发生
ADC通道1装备： 桥式传感器
AD7793的通道1丈量AD8420的桥式传感器输出。外部VREF (1.05 V)用作基准电压，因此，AD7793的输入电压规模是±1.05 V，以+1.05 V共模电压为中心。
ADC通道2装备： 温度传感器
AD7793的第二通道监控电阻温度检测器(RTD)上发生的电压，该RTD由210 μA鼓励电流驱动，如图5所示。
虽然100 Ω铂RTD非常常见，但也可指定其他电阻（200 Ω、500 Ω、1000 Ω等）和资料（镍、铜、镍铁）。 本运用选用100 Ω DIN 43,760 A类RTD。
图5. 运用开尔文或4线Pt RTD衔接供给高精度
图5所示的4线（开尔文）衔接可消除RTD引脚电阻效应。 留意：运用链路P3和链路P4，也可以运用2线、3线或4线装备，如表2所示。
表2. RTD衔接的链路装备
假如不需求温度补偿，可运用链路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
其间：
AIN = AIN(+) – AIN(−) = AIN(+) – VREF
Gain为PGA增益设置，N = 24。
电源电压要求
为使电路正常作业，电源电压VCC有必要大于6 V，以便为桥式传感器供给最低5 V驱动。
体系校准
有多种办法可执行压力传感器温度校准。 本运用选用四点校准程序。 Silicon Microstructures, Inc.（坐落美国加利福尼亚州苗必达市）的AN13-01（稳定电压下MEMS压力传感器的自动温度补偿和校准）为校准程序供给了很好的参阅。
测验数据与成果
体系噪声
悉数数据捕获操作都经过CN-0355评价软件完结。
为捕获评价板噪声，进行了两次设置丈量。 第一次丈量如图6所示，在AD8420输入短路的条件下进行，因此丈量的是AD8420和AD7793的峰峰值噪声。 进行了1000次采样，取得的代码散布约有100个代码，相当于12.5 μV的峰峰值噪声；或许关于2.1 V的满量程规模，相当于17.36个无噪声位。
图6. 输出代码散布直方图（100个代码，AD8420输入引脚短路）
第2次丈量是运用Honeywell NSCSANN600MGUNV压力计传感器进行，它衔接到评价板。 板上装置的该压力传感器未经放大和补偿，电压驱动器设置为10.1 V。此测验有用展现了整个体系发生的噪声，包含传感器噪声，如图7所示。进行了1000次采样，取得的代码散布约有120个代码，相当于15 μV的峰峰值噪声；或许关于2.1 V的满量程规模，相当于17.1个无噪声位。
图7. 输出代码散布直方图（120个代码，衔接压力传感器）
体系功耗
表3显现了体系的总功耗，不包含压力传感器的功耗。
表3. 25°C时电路的最大功耗
Honeywell NSCSANN600MGUNV压力传感器具有大约3 kΩ的阻抗，会使表3所示的总功耗添加大约3.36 mA。
用更低的电流（如10 μA）驱动RTD，一起选用更高的RTD电阻值（如1 kΩ），可进一步下降体系的功耗。
有源元件的差错剖析
体系中的有源元件AD8420和ADA4096-2引起的最大差错及和方根(RSS)差错如表4所示。
表4. 满量程规模(FSR) = 1.05 V的体系差错剖析
总电路精度
对电阻容差导致的总差错的合理近似推算是假定每个要害电阻对总差错奉献都持平。 两个要害电阻是R8和R19、R20、R21中的任一个。 0.1%的最差情况下电阻容差可形成最大值0.2%的总电阻差错。 若假定RSS差错，则总RSS差错为0.1√2 = 0.14%。
电阻差错与表4给出的元件差错相加得到以下成果：
•失调差错 = 0.365% + 0.1400% = 0.505%
•增益差错 = 0.050% + 0.1400% = 0.190%
•满量程差错 = 0.415% + 0.1400% = 0.555%
这些差错运用以下假定：选用核算得到的电阻值，容差是仅有的差错，传感器的电压驱动设置为10.1的增益。
线性度差错是在−500 mV到+500 mV的输入规模测验，选用图10所示的设置。总非线性差错约为0.45%。 非线性主要由AD8420的输入跨导(gm)级引起。
总输出差错(%FSR)经过将实测输出电压与抱负输出电压之差除以输出电压的FSR，然后乘以100得出。核算成果如图8所示。
图8. 桥式传感器模仿的输出电压（带相关线性度差错曲线）与ADC读数的联系
图9显现EVAL-CN0355-PMDZ评价板的什物相片。 该体系的完好文档坐落CN-0355规划支撑包中。
图 9. EVAL-CN0355-PMDZ板什物相片
常见改变
其他适宜的ADC有AD7792和AD7785， 这两款器材具有与AD7793相同的特性组合。 不过，AD7792为16位ADC，AD7785为20位ADC。
AD8237是一款微功耗、零漂移、真正轨到轨外表放大器，也可用于本电路装备的低电源电压版别。
外表放大器AD8226是另一个挑选，它能以更高的功耗（约525 μA）完结更好的线性度。
关于需求低噪声和低失调电压的低电源电压规模运用，可以用双通道AD8606替代ADA4096-2。 双通道AD8606具有极低失调电压、低输入电压和电流噪声以及宽信号带宽等特性。 它选用ADI公司的DigiTrim®调整专利技能，无需激光调整便可到达超卓的精度。
电路评价与测验
本电路选用EVAL-CN0355-PMDZ电路板、EVAL-SDP-CB1Z体系演示渠道(SDP)评价板和SDP-PMD-IB1Z（一款针对SDP的PMOD转接板）。 SDP和SDP-PMD-IB1Z板具有120引脚的对接衔接器，可以快速完结设置和电路功用评价。 为了运用SDP-PMD-IB1Z和SDP评价EVAL-CN0355-PMDZ板，经过一个距离为100密尔、面积为25平方密尔的规范直角引脚接头衔接器把EVAL-CN0355-PMDZ衔接至SDP-PMD-IB1Z。
设备要求
为评价和测验CN-0355电路，需求如下设备：
•带USB端口的Windows® XP、Windows® Vista（32位）或Windows® 7（32位）PC
•EVAL-CN0355-PMDZ电路评价板
•EVAL-SDP-CB1Z电路评价板
•SDP-PMD-IB1Z转接板
•CN0355评价软件
•6 V壁式电源适配器或其他电源
•Yokogawa GS200精细电压源
•Agilent E3631A电压源
开端运用
将CN-0355评价软件光盘放入PC，加载评价软件。 翻开我的电脑，找到包含评价软件光盘的驱动器，翻开Readme文件。 依照Readme文件中的阐明装置和运用评价软件。
设置
CN-0355评价套件包含一张光盘，其间含有自装置软件。该软件兼容Windows XP (SP2)和Vista（32位和64位）。 假如装置文件未自动运转，可以运转光盘中的setup.exe文件。
请先装置评价软件，再将评价板和SDP板衔接到PC的USB端口，保证PC可以正确辨认评价体系。
光盘文件装置结束后，为SDP-PMD-IB1Z评价板接通电源。 用随附电缆把SDP板（经过衔接器A）衔接到SDP-PMD-IB1Z评价板，然后衔接到用于评价的PC USB端口。
将EVAL-CN0355-PMDZ的12引脚直角公引脚接头衔接至SDP-PMD-IB1Z的12引脚直角母引脚接头。
运转程序之前，将压力传感器端子和RTD传感器衔接至EVAL-CN0355-PMDZ的端子插孔中。
在接好并翻开一切外设和电源之后，单击图形用户界面上的Run（运转）按钮。当PC成功检测到评价体系时，即可运用评价软件对EVAL-CN0355-PMDZ电路板进行评价。
功用框图
测验设置的功用框图如图10所示。该测验设置有必要按图中所示方法衔接。
图10. 测验设置功用框图
用Agilent E3631A和Yokogawa GS200精细电压源为评价板供电并模仿传感器输出。 Agilent E3631A的通道CH1设置为24 V以充任评价板的VCC电源，另一个通道CH2设置为5 V以发生共模电压。 CH2与Yokogawa GS200串联，如图7所示。Yokogowa经过1.5 kΩ串联电阻衔接到评价板的输入端子，该电阻模仿电桥阻抗。 Yokogawa在外表放大器输入端发生±500 mV（25°C时）差分输入电压，然后模仿传感器输出。
用CN-0355评价软件捕获来自EVAL-CN0355-PMDZ评价板的数据，得出图8所示的线性度差错，所用设置如图10所示。
有关软件操作的概况，请拜见CN-0355软件用户攻略。
了解概况
CN-0355规划支撑包：http://www.analog.com/CN0355-DesignSupport
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