大多数传感器本质上都是模仿的，因而有必要数字化后才可用于当时的电子体系中。这篇运用笔记的内容涵盖了比率传感器的基本原理及其与模数转换器（ADC）的合作运用。尤其是，本文还将阐明怎么运用传感器和ADC的比率特性来进步精度，一起削减元件数目，下降本钱，节约电路板空间。
注：本文中所说的比率特性是指器材输出与待丈量和其他电压或电流的份额有关。
传感器和阻性检测元件
许多传感器的输出与其电源电压都是成份额的。这一般是由于发生输出的感应元件是比率器材。最常见的比率元件是电阻器，其阻值随被丈量的改动而改动。电阻式温度检测器（RTD）和应变计都是典型的阻性敏感元件。
阻性元件的比率性是由于其阻抗不能直接丈量。其值是由电阻两头的电压与经过电阻的电流的比值确认的。
R = V/I 公式1 （欧姆定理）
运用阻性元件的传感器一般令一个电流流过电阻并丈量其电压。在输出传感器之前，能够将该电压进行扩大或电平偏移，可是其巨细依然与流过电阻的电流相关。假如该电流来自于电源电压，那么传感器的输出与电源电压成份额。公式2描绘了这类份额传感器的输出（图1），其间Vs是输出信号，Ve是鼓励电压，S是传感器的灵敏度，P是所测参数的量值，C是传感器的失调量。
Vs = Ve （P x S + C） 公式2
图1. 份额型传感器
Honeywell？［1］ MLxxx-C系列压力传感器是很多轿车份额传感器中具有代表性的器材。当在5V标称电源电压下作业时，失调电压为0.5V，满量程输出为4.5V。假如改动鼓励电压，失调电压和满量程输出会随之按份额改动。
需求知道鼓励电压才可运用输出信号，这在许多运用中是很不便利的。为了处理这一问题，制作商在电路上添加了一个电压基准。这种器材可供给十分准确的电压，并与温度和电源电压无关。假如流经感应电阻的电流来自于基准电压，那么公式2中的Ve可用一个常数替换。然后得到公式3，其间的新常数包含在S2和C2之中。
Vs = P x S2 + C2 公式3
由于输出信号仅为被测参数的函数，所以公式3不是份额联系。Honeywell公司的MLxxx-R5系列压力传感器便是非份额传感器。当在7V和35V之间的任何电源电压下作业时，失调都是1V，满量程输出为6V。
模数转换器（ADC）与阻性器材
用于将传感器信号数字化的ADC也是份额器材。不管其内部架构怎么，一切ADC都是经过对不知道输入电压与已知参阅电压相比较来作业的。转换器的数字化输出是输入电压与参阅电压的比值乘以ADC的满量程读数。考虑到内部扩大和规划的多样性，还需求一个份额因子K。不管K值巨细，只需ADC的装备未改动，K值都坚持固定不变。公式4描绘了一个遍及含义上的ADC （图2）的数字读数（D）和输入信号（Vs），参阅电压（Vref），满量程读数（FS）以及份额因子（K）间的联系。
D = （Vs/Vref）FS x K 公式4
图2. 遍及含义上的模数转换器
参阅电压的与ADC的具体规划有关。在一些ADC中参阅电压是电源电压，而在另一些ADC中参阅电压来自于内部基准源，在其他规划中，用户有必要将参阅电压衔接至ADC的Vref输入端。假如运用了内部或外部电压基准，使参阅电压成为一个衡定值，则公式4可简化为公式5，其间K2是一个新的常数，其值为FS x K/Vref。
D = Vs x K2 公式5
传感器的丈量
由一个非份额传感器和具有固定参阅电压的ADC组成的小体系的输出可经过将公式3 （传感器的输出）中的Vs （ADC的输入）代入公式5中得到。如公式6所示。
D = P x S2K2 + C2K2 公式6
公式6给出了所需的切当联系。数字量值（D）巨细与P的改动成份额，而且仅受P改动的影响。D不受温度和电源电压改动的影响。
省去电压基准
运用电压基准安稳传感器和ADC是一种有用且必要的技能。可是，并非总是最好的技能。
本文的其余部分将评论怎么创造性地运用ADC的参阅电压输入，然后省去许多传感器电路中的电压基准和电流源。这种规划节约了元件本钱、电路板空间以及电压“净空”。由于省去了电压基准，非抱负基准相关的差错也不复存在，因而精度也有所改善。这种技能已在轿车工业中运用多年。传感器和ADC与电源电压的份额联系一经确认，便无需准确的电压基准。
与之类似的选用电流驱动传感器和单元件阻性传感器（如RTD）的技能已不常用了。这些电路中ADC的灵敏度会随温度或电源电压的改动而改动。尽管如此，ADC和传感器输入的组合仍是适当安稳的。
与电源电压成份额的传感器
将公式2中的输入信号（Vs）代入公式4，便可得到丈量份额传感器时ADC的输出。得出公式7，该公式表明：D是P，Ve和Vref的函数。
D = P（S x FS x K x Ve/Vref） + C（FS x K x Ve/Vref） 公式7
乍一看，公式7中的办法好像并不抱负，由于输出（D）是三个变量的函数，而并非仅仅是P的函数。可是，仔细观察会发现：Ve/Vref的比值是十分重要的，独自的数值并无太多含义。假如Ve和Vref电压来自同一个电源，则很简单得到安稳的Ve/Vref比值。一旦这样的话，D将与P的改动成份额，而且只与P的改动有关。设Ve/Vref比值为一个常数，公式7可简化为与公式6类似的方式。因而，这就阐明无需电压基准也能完成相同的功能。
从实践运用的视点来看，Ve和Vref有必要足够大，这样才干防止噪声搅扰;一起Ve和Vref还有必要处于ADC和传感器所指定的范围内。用正电源电压作为Ve和Vref的电压源一般能够满意上述要求，而且答应为很多并联的传感器供电，如图3［2］所示。
图3中MAX1238的前端有一个12输入的多路复用器，且内置一个电压基准。在这种情况下，虽没有与ADC基准有关的附加本钱，可是如要给10个传感器中的每个都添加基准则会使本钱明显添加。 MAX1238还答应AN11输入作为参阅电压。将AN11作为参阅输入并将其衔接至5V电源，可设置ADC的满量程输入为5V，并便于与份额型传感器合作运用。在图3中，MAX1238的内部参阅电压并非搁置。可用软件操控内部电压基准并用于确诊，如丈量电源电压。可经过衔接到输入AN10的分压器来完成。
图3. MAX1238 ADC答应AN11输入作为参阅电压，因而，ADC可与份额传感器合作运用。
图3的拓扑十分合适轿车运用和那些由单电源供电，供电线路上压降很小的运用。并不合适那些作业中有必要运用长导线的传感器或许是ADC和传感器由不同电源供电的运用。
电流驱动的电桥
在低噪声环境或许体系中，若压力传感器紧挨ADC放置，或许没有必要运用带信号扩大的传感器。在这些运用中，低本钱桥式输出传感器更合适。为了下降传感器本钱，一起在整个温度范围内供给杰出的功能，许多此类压力传感器，如Nova Sensor公司的NPI-19系列［3］都是由电流源供电而不是电压源供电。（更具体的论说请拜见附录1）。公式8给出了这种电流驱动的传感器的输出，其间Ie是鼓励电流。
Vs= Ie （S x P+C） 公式8
图4给出了一个常用于桥式输出传感器的电流源。该电流源由一个低温度系数电阻，一个运算扩大器及一个电压基准组成。假如ADC和压力传感器整合于一个部件中，则电流源的电压基准也可为ADC供给参阅电压。在图4的电路中，电压基准一起被用来安稳传感器和ADC，使它们不受改动的温度和电源电压的影响。
图4. 该规划中电流驱动传感器的电流源由一个电阻，一个运算扩大器和一个电压基准组成。
与图4类似的另一种办法如图5所示的电路，无需电流源或电压基准。需求留意的是：尽管传感器和ADC的组合在整个温度范围内都很安稳，可是ADC和传感器都具有很大的温漂。假如独自丈量，传感器的灵敏度将随温度的升高而下降，而ADC的灵敏度则升高。由于在整个温度范围内ADC输出不是安稳的，所以将该办法用于ADC有多路输入的电路时有必要特别当心。
图5. 传感器和ADC组合的另一种规划办法，无需独立的电流源或电压基准。
从图5能够得出公式9：
Vref = Ie x R1 公式9
将公式9中的Vref和公式8中的Vs代入上述ADC的公式4 ，得出公式10。
D = ［Ie （S x P+C）/（Ie x R1）］（FS x K） 公式10
由于分子和分母中含有鼓励电流（Ie），因而可消去。由此可得到公式11，表明输出与鼓励电流无关。假如将公式11中的常数项兼并，将再次得出与公式6等效的公式：带有电压基准的体系。
来历；21ic
