一種壓力傳感器電路及其調(diào)試方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于壓力傳感技術(shù)，提供一種壓力傳感器電路及其調(diào)試方法。所述壓力傳感器包括電路電壓基準(zhǔn)電路(1)、敏感電橋(2)、電壓放大電路(3)、電流轉(zhuǎn)換電路(4)四部分。該壓力傳感器電路通過(guò)合理選擇電壓基準(zhǔn)、運(yùn)算放大器等主要器件，降低惠斯登壓力敏感電橋的供電電壓、增大零位電壓分壓調(diào)整電阻器的阻值，使傳感器信號(hào)調(diào)理電路的靜態(tài)消耗電流不大于3.8mA，從而滿足壓力傳感器的調(diào)試要求；通過(guò)在合理確定三運(yùn)放儀表放大電路的放大倍數(shù)、確定電壓放大電路中負(fù)反饋電阻器上的并聯(lián)瓷介電容器的容量，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力敏感電橋微弱信號(hào)的高倍數(shù)放大，同時(shí)使電路具有良好地穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】
一種壓力傳感器電路及其調(diào)試方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于壓力傳感技術(shù)，涉及一種壓力傳感器電路及其調(diào)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓力傳感器采用兩線制4mA?20mA標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，具有信號(hào)傳輸精確、抗干擾能力強(qiáng)、靜態(tài)消耗電流低的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)兩線制設(shè)計(jì)可有效減少壓力傳感器與系統(tǒng)之間電氣連接電纜的數(shù)量。兩線制4mA?20mA輸出的壓力傳感器必須要求壓力傳感器的電路靜態(tài)消耗電流應(yīng)小于3.8mA，否則無(wú)法調(diào)試。
[0003]壓力傳感器常采用濺射薄膜壓力敏感原理或者鈦/硅-藍(lán)寶石壓力敏感原理的壓力敏感芯體，上述敏感原理是通過(guò)彈性膜片的形變引起壓力敏感電橋橋臂電阻變化，從而實(shí)現(xiàn)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)的目的。這些原理的壓力敏感芯體敏感電橋的顯著特點(diǎn)有:I)靈敏度低，通常滿量程輸出僅為lmV/V?3mV/V; 2)敏感電橋的橋臂電阻值通常為2.5kΩ至5k Ω。基于濺射薄膜壓力敏感原理或者藍(lán)寶石壓力敏感原理的壓力傳感器要實(shí)現(xiàn)兩線制4mA?20mA輸出的設(shè)計(jì)要求，存在以下矛盾:為了減小壓力傳感器電路的靜態(tài)消耗電流，電路中需要采用低消耗電流的器件，同時(shí)盡可能降低敏感電橋的供電電壓;但是當(dāng)降低敏感電橋的供電電壓時(shí)，其輸出信號(hào)隨之減小，為了實(shí)現(xiàn)4mA?20mA電流信號(hào)輸出，需要提高電路的放大倍數(shù)，其放大倍數(shù)通常需要達(dá)到1000倍甚至更高的倍數(shù)。當(dāng)放大倍數(shù)提高后，其電橋輸出信號(hào)對(duì)微弱的電路噪聲變得更加敏感，導(dǎo)致輸出跳變和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，不能滿足壓力傳感器的設(shè)計(jì)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:提供一種靜態(tài)消耗電流低、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的壓力傳感器電路及其調(diào)試方法。
[0005]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種壓力傳感器電路，包括電壓基準(zhǔn)電路1、敏感電橋
2、電壓放大電路3、電流轉(zhuǎn)換電路4四部分，其中，壓力傳感器包括電氣節(jié)點(diǎn)VCC、IQUT、SGND、V+、Vref、Earth、+Vin、-Vin和Vout ；電壓基準(zhǔn)電路I與節(jié)點(diǎn)VCC、Iqut、SGND、V+、Vref和Earth相連接，敏感電橋2通過(guò)節(jié)點(diǎn)SGND、V+與電壓基準(zhǔn)電路I連接，敏感電橋2通過(guò)節(jié)點(diǎn)+Vin、-Vin與電壓放大電路3連接，電壓放大電路3通過(guò)節(jié)點(diǎn)V+、SGND、Vref與電壓基準(zhǔn)電路I連接，電壓放大電路3通過(guò)節(jié)點(diǎn)Vout與電流轉(zhuǎn)換電路4連接，電流轉(zhuǎn)換電路4通過(guò)節(jié)點(diǎn)V+、SGND與電壓基準(zhǔn)電路1連接，其中，所述電氣節(jié)點(diǎn)￥0:、1隱、36仰、￥+、￥代€』3^11、+￥丨11、-￥丨11、￥01^的電氣定位分別為壓力傳感器的電源輸入端、壓力傳感器的電流輸出端、信號(hào)地、電壓基準(zhǔn)電路的輸出端、零位調(diào)試電壓輸出端、屏蔽地、電壓放大電路3的正輸入端、電壓放大電路3的負(fù)輸入端、電壓放大電路3的輸出端。
[0006]所述運(yùn)算放大器N2A、N2B、N2C和N2D選擇低功耗四通道運(yùn)算放大器。電壓基準(zhǔn)電路I應(yīng)選用低功耗的電壓基準(zhǔn)器件。
[0007]電壓基準(zhǔn)電路I的輸出電壓幅值通過(guò)如下方法確定:1^((3.8-1^12)XRb。其中Uo為電壓基準(zhǔn)的輸出電壓，Rb敏感電橋2的最小內(nèi)阻值，I1為四通道運(yùn)算放大器的最大靜態(tài)消耗電流，12為設(shè)電壓基準(zhǔn)的最大靜態(tài)消耗電流。
[0008]所述固定電阻器R2、R3、R4……R13、R14選用低電感量的電阻器件，其中電阻值R3= R4^50kQ，R5 = R6 = R7 = R8 彡 1kQ，R9 = R10，R11 = R12，應(yīng)滿足 R13彡0.I % XRll，并且R13彡 100Ω。
[0009]確定零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器R2電阻值取值范圍的計(jì)算方法為:1^2^(3.8-^-12-Uo/Rb)ο
[0010]根據(jù)電流轉(zhuǎn)換電路4中預(yù)置的各固定電阻器的電阻值，計(jì)算電壓放大電路3輸出端Vout的電壓值Uout，計(jì)算方法為:Uout =(1maxXR13)X R9/R12。其中I _x為壓力傳感器的最大輸出電流幅值。
[0011]電壓放大電路3的放大倍數(shù)A= Uout/(Vs X Uo)，其中壓力敏感電橋的輸出電壓靈敏度為Vs，電壓放大電路3的放大倍數(shù)A應(yīng)不大于150;如果電壓放大電路3的放大倍數(shù)A不滿足要求，則應(yīng)重新更改電流轉(zhuǎn)換電路4中固定電阻器預(yù)置的電阻值，具體方法為:保持R11、R12、R13的電阻值不變，同步減小R9、R10的電阻值，直至使電壓放大電路3的放大倍數(shù)AS150。
[0012]根據(jù)運(yùn)算放大器的最大輸入失調(diào)電流Ib和最大輸入偏置電流Iqs，以及敏感電橋的最小零位輸出電壓Ubmin，確定放大倍數(shù)調(diào)整電阻器RlOO的最大取值范圍。計(jì)算方法如下:R10^Ubmin/(Ib+1s)。
[0013]在調(diào)試時(shí)，將壓力敏感電橋的輸出保持在零位輸出，保持RlOO為最大值不變，調(diào)整R200的阻值，使壓力傳感器電路的輸出電流值為4mA，觀察電流值的跳變情況。在上述條件下，將瓷介電容器C3、C4的電容量從0.0 IuF逐漸，直至輸出穩(wěn)定后，再繼續(xù)將C3、C4的電容量增大50%，作為C3、C4電容量的最終取值。
[0014]壓力傳感器電路的調(diào)試方法，具體過(guò)程如下:步驟1、選擇電壓基準(zhǔn)電路I中低功耗精密器件運(yùn)算放大器和電壓基準(zhǔn)，步驟2、測(cè)定敏感電橋2最小內(nèi)阻值，步驟3、確定電壓基準(zhǔn)電路I中電壓基準(zhǔn)的輸出電壓幅值，步驟4、確定電壓基準(zhǔn)電路I中零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器的電阻值，通過(guò)步驟1、2、3、4分別確定的主要器件、壓基準(zhǔn)的輸出電壓幅值取值范圍、零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器R2電阻值的取值范圍，保證壓力傳感器電路的靜態(tài)消耗電流小于3.8mA，滿足壓力傳感器的調(diào)試要求;步驟5、預(yù)置電流轉(zhuǎn)換電路4中固定電阻器的電阻值，使電壓信號(hào)放大更為精確，提高電流轉(zhuǎn)換電路4的輸出阻抗;步驟6、計(jì)算電壓放大電路3輸出端Vout的電壓值，步驟7、確定電壓放大電路3的放大倍數(shù)，步驟8、確定電壓放大電路3中放大倍數(shù)調(diào)整電阻器的最大取值，步驟9、選定電壓放大電路3中用于差動(dòng)放大的兩個(gè)運(yùn)算放大器的負(fù)反饋固定電阻器的電阻值取值范圍，通過(guò)步驟6、7、8、9實(shí)現(xiàn)電壓放大電路3中放大倍數(shù)調(diào)整電阻器的最大取值、電壓放大電路3中用于差動(dòng)放大的兩個(gè)運(yùn)算放大器的負(fù)反饋固定電阻器的電阻值取值范圍，使運(yùn)算放大器工作在最佳狀態(tài)，減小由于運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電流和偏置電流對(duì)微弱信號(hào)放大的影響，提高放大電壓的穩(wěn)定性;步驟10、選定電壓放大電路3中其余固定電阻器的電阻值;步驟11、確定電壓放大電路3中用于差動(dòng)放大的兩個(gè)運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電容器的電容值，以保證放大電路3工作在穩(wěn)定狀態(tài)，避免輸出電壓的波動(dòng)而影響壓力傳感器的輸出；步驟12、確定電路中其它元器件的參數(shù);步驟13、調(diào)整電壓基準(zhǔn)電路I中零位調(diào)整可變電阻器和電壓放大電路3中放大倍數(shù)調(diào)整電阻器的電阻值，使壓力傳感器的零位輸出和最大壓力時(shí)輸出值滿足要求。
[0015]本發(fā)明具有有益效果是:本發(fā)明壓力傳感器包括電路電壓基準(zhǔn)電路1、敏感電橋2、電壓放大電路3、電流轉(zhuǎn)換電路4四部分。該壓力傳感器電路通過(guò)合理選擇電壓基準(zhǔn)、運(yùn)算放大器等主要器件，降低惠斯登壓力敏感電橋的供電電壓、增大零位電壓分壓調(diào)整電阻器的阻值，使傳感器信號(hào)調(diào)理電路的靜態(tài)消耗電流不大于3.8mA，從而滿足壓力傳感器的調(diào)試要求;通過(guò)在合理確定三運(yùn)放儀表放大電路的放大倍數(shù)、確定電壓放大電路中負(fù)反饋電阻器上的并聯(lián)瓷介電容器的容量，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力敏感電橋微弱信號(hào)的高倍數(shù)放大，同時(shí)使電路具有良好地穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的壓力傳感器電路及其調(diào)試方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濺射薄膜壓力敏感電橋等低靈敏度敏感電橋輸出信號(hào)的放大，實(shí)現(xiàn)4mA?20mA兩線制標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，具有靜態(tài)消耗電流小，工作穩(wěn)定，精度高的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明壓力傳感器電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明壓力傳感器調(diào)試方法流程圖；
[0018]其中:I一電壓基準(zhǔn)電路，2—敏感電橋，3—電壓放大電路，4一電流轉(zhuǎn)換電路。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖1對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]如圖1所示，壓力傳感器電路包括電壓基準(zhǔn)電路1、敏感電橋2、電壓放大電路3、電流轉(zhuǎn)換電路4四部分;壓力傳感器電路包括電氣節(jié)點(diǎn)￥0:、1(^、36冊(cè)、￥+、￥代€4&代11、+￥111、-Vin和Vout;電壓基準(zhǔn)電路I與節(jié)點(diǎn)VCC、IQUT、SGND、V+、Vref和Earth相連接，敏感電橋2通過(guò)節(jié)點(diǎn)SGND、V+與電壓基準(zhǔn)電路I連接，敏感電橋2通過(guò)節(jié)點(diǎn)+Vin、-Vin與電壓放大電路3連接，電壓放大電路3通過(guò)節(jié)點(diǎn)V+、SGND、Vref與電壓基準(zhǔn)電路I連接，電壓放大電路3通過(guò)節(jié)點(diǎn)Vout與電流轉(zhuǎn)換電路4連接，電流轉(zhuǎn)換電路4通過(guò)節(jié)點(diǎn)V+、SGND與電壓基準(zhǔn)電路I連接。
[0021]電壓基準(zhǔn)電路I為電源轉(zhuǎn)換電路，包括三端濾波器Zl和Z2，開關(guān)二極管Dl，固定電阻器Rl和R2，瞬變電壓抑制二極管D2，電容器Cl、C2和C3，電壓基準(zhǔn)N1、可調(diào)電阻器R200。電壓基準(zhǔn)電路I包含六個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)電源正端VCC、電流輸出端I out、信號(hào)地SGND、電壓基準(zhǔn)輸出端V+、零位可調(diào)電壓Vref和屏蔽地Earth。三端濾波器ZI的輸入端連接節(jié)點(diǎn)VCC，三端濾波器ZI的輸出端連接開關(guān)二極管DI的正極端;三端濾波器Z2的輸出端連接I out ；三端濾波器Z1、Z2的接地端均與節(jié)點(diǎn)Earth連接;固定電阻器Rl的一端連接開關(guān)二極管DI的負(fù)極端，另一端同時(shí)連接瞬變電壓抑制二極管D2的負(fù)極端、電容Cl和C2的一端、電壓基準(zhǔn)NI的電源輸入端；三端濾波器Z2的輸出端、連接瞬變電壓二極管D2的正極端、電容器Cl和C2的另一端、電壓基準(zhǔn)NI的電源負(fù)端連接均與節(jié)點(diǎn)SGND連接。固定電阻器R2的一端與節(jié)點(diǎn)V+連接，另一端與節(jié)點(diǎn)Vref連接;可變電阻器R200的一端與節(jié)點(diǎn)Vref連接，另一端與節(jié)點(diǎn)SGND連接。電壓基準(zhǔn)電路I的功能是將電源電壓經(jīng)電源輸入端VCC和電流輸出端電流輸出端I chit通過(guò)三端濾波器ZI和Z2，開關(guān)二極管Dl，固定電阻器Rl，瞬變電壓抑制二極管D2，電容器Cl、C2和C3等器件處理后，輸入給電壓基準(zhǔn)器件，電壓基準(zhǔn)器件通過(guò)節(jié)點(diǎn)V+輸出高精度的基準(zhǔn)電壓，給敏感電橋2、電源放大電路3和電流轉(zhuǎn)換電路4提供工作電壓，同時(shí)，利用電壓基準(zhǔn)電路I輸出的高精度基準(zhǔn)電壓通過(guò)固定電阻器R2和可調(diào)電阻器R200進(jìn)行分壓，以提供可調(diào)節(jié)的高精度電壓，通過(guò)節(jié)點(diǎn)Vref輸入給電壓放大電路3，用于調(diào)整電壓放大電路3的零位輸出電壓。
[0022]惠斯登壓力敏感電橋2為四臂力敏電橋，具有a、b、c、d四個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)a為電橋的輸出正端，節(jié)點(diǎn)b為電橋的電源正端，節(jié)點(diǎn)c為電橋的輸出負(fù)端，節(jié)點(diǎn)d為電橋的電源負(fù)端。節(jié)點(diǎn)b與電壓基準(zhǔn)電路I的節(jié)點(diǎn)V+連接，節(jié)點(diǎn)d與電壓基準(zhǔn)電路2節(jié)點(diǎn)SGND連接?；菟沟菈毫γ舾须姌?用于將壓力傳感器輸入的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)c輸出差動(dòng)電壓信號(hào)。
[0023]電壓放大電路3為改進(jìn)的三運(yùn)放儀表放大電路，電壓放大電路3包括運(yùn)算放大器N2A、N2B和N2C，固定電阻器R3、R4、R5、R6、R7和R8，電容器C4、C5和C6，可變電阻器Rl 00。節(jié)點(diǎn)+Vin與惠斯登壓力敏感電橋2的節(jié)點(diǎn)a連接，節(jié)點(diǎn)-Vin與惠斯登壓力敏感電橋2的節(jié)點(diǎn)c連接;運(yùn)算放大器N2A的正輸入端與節(jié)點(diǎn)+Vin連接，運(yùn)算放大器N2A的輸入端與固定電阻器R4和電容器C4的一端連接，運(yùn)算放大器N2A的輸出端與固定電阻器R4和電容器C4的另一端連接。運(yùn)算放大器N2B的正輸入端與節(jié)點(diǎn)-Vin連接，運(yùn)算放大器N2B的輸入端同時(shí)與固定電阻器R3和電容器C5的一端連接，運(yùn)算放大器N2B的輸出端同時(shí)與固定電阻器R3和電容器C5的另一端連接?？勺冸娮杵鱎lOO的一端與運(yùn)算放大器N2A的負(fù)輸入端連接，可變電阻器RlOO的另一端與運(yùn)算放大器N2B的負(fù)輸入端連接。電阻器R5的一端與運(yùn)算放大器N2A的輸出端連接，電阻器R5的另一端與運(yùn)算放大器N2C的負(fù)輸入端連接。電阻器R6的一端與電壓基準(zhǔn)電路I的節(jié)點(diǎn)Vref連接，電阻器R6的另一端與運(yùn)算放大器N2C的正輸入端連接。電阻器R7的一端與運(yùn)算放大器N2B的輸出端連接，電阻器R7的另一端與運(yùn)算放大器N2C的正輸入端連接。運(yùn)算放大器N2C的負(fù)輸入端分別與電阻器R8和電容器C6的一端連接，運(yùn)算放大器N2C的輸出端分別與電阻器R8和電容器C6的另一端連接。節(jié)點(diǎn)Vout與運(yùn)算放大器N2C的輸出端連接。運(yùn)算放大器N2A、N2B、N2C的電源正端與節(jié)點(diǎn)V+連接，運(yùn)算放大器N2A、N2B、N2C的電源負(fù)端與節(jié)點(diǎn)SGND連接。電壓放大電路3是通過(guò)上述器件實(shí)現(xiàn)將敏感電橋2輸出的差動(dòng)電壓信號(hào)進(jìn)行放大后，通過(guò)節(jié)點(diǎn)Vout輸入給電流轉(zhuǎn)換4，通過(guò)R200實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)的調(diào)整。電壓放大電路3中C4、C5分別并聯(lián)在運(yùn)算放大器N2A、N2B負(fù)反饋電阻器R3、R4上，主要作用是當(dāng)壓力敏感電橋2輸出的差動(dòng)電壓信號(hào)較小時(shí)，消除電壓放大過(guò)程中的噪聲和干擾信號(hào)。
[0024]電流轉(zhuǎn)換電路4為改進(jìn)的Howland電流栗電路，包括運(yùn)算放大器N2D，固定電阻器尺9、1?10、1?11、1?12、1?13和1?14，電容器07和08，三極管03。固定電阻器1?9的一端與電壓放大電路3的節(jié)點(diǎn)Vout連接，固定電阻器R9的另一端與運(yùn)算放大器N2D的正輸入端連接，并與固定電阻R12的一端連接。固定電阻器RlO的一端與節(jié)點(diǎn)SGND連接；固定電阻器RlO的另一端與運(yùn)算放大器N2D的負(fù)輸入端連接。固定電阻器RU的一端與電容器Cll的一端連接，并與運(yùn)算放大器N2D的負(fù)輸入端連接在一起;固定電阻器Rll的另一端與電容器Cll的另一端連接，并與固定電阻器Rl 3的一端、電容器C8的一端、三極管D3的發(fā)射極連接在一起。固定電阻器Rl 3的另一端與節(jié)點(diǎn)SGND，并與固定電阻R12的另一端連接；電容器C8的另一端與三極管D3的基極連接，并與運(yùn)算放大器N2D的輸出端連接在一起；固定電阻器R14的一端與三極管D3的集電極連接，固定電阻器R14的另一端與節(jié)點(diǎn)V+連接。運(yùn)算放大器N2D的電源正端與節(jié)點(diǎn)V+連接，運(yùn)算放大器N2D的電源負(fù)端與節(jié)點(diǎn)SGND連接；電流轉(zhuǎn)換電路4是實(shí)現(xiàn)將放大電路3輸出電壓進(jìn)一步放大，并轉(zhuǎn)換成比例的電流信號(hào)輸出。
[0025]本發(fā)明壓力傳感器電路的調(diào)試方法，結(jié)合圖2壓力傳感器調(diào)試方法流程圖，對(duì)具體實(shí)施過(guò)程作如下詳細(xì)說(shuō)明:
[0026]步驟I:
[0027]根據(jù)圖1電路選擇低功耗精密器件運(yùn)算放大器和電壓基準(zhǔn)，以保證壓力傳感器電路的靜態(tài)消耗電流小于3.8mA，滿足兩線制4mA?20mA電流輸出的條件；
[0028]運(yùn)算放大器的選擇條件為:低靜態(tài)消耗電流:所述運(yùn)算放大器N2A、N2B、N2C和N2D四運(yùn)算放大器的最大靜態(tài)消耗電流總和為I1;允許在單電源，低電壓輸入條件下正常工作；輸出電壓幅值盡可能接近工作電源電壓，軌對(duì)軌運(yùn)算放大器尤為適用；
[0029]電壓基準(zhǔn)的選擇條件為:低靜態(tài)消耗電流，設(shè)電壓基準(zhǔn)的最大靜態(tài)消耗電流為I2;輸出電壓幅值可通過(guò)輸出引腳編程或者可調(diào)整;輸出電壓具有高精度的特點(diǎn)；
[0030]步驟2:
[0031]在敏感電橋不同通電的情況下，在最大工作范圍內(nèi)，測(cè)定敏感電橋的最小內(nèi)阻值R(B)，作為確定電壓基準(zhǔn)輸出電壓幅值計(jì)算的依據(jù)；
[0032]步驟3:
[0033]電壓基準(zhǔn)的輸出電壓幅值取值范圍的計(jì)算方法為=Uo(Uj-11-12) XRb;
[0034]步驟4:
[0035]為了保證壓力傳感器電路的靜態(tài)消耗電流不大于3.8mA以滿足所述壓力傳感器電路具有可調(diào)試的條件。則有確定零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器R2電阻值的取值范圍為:R2X
3.8_Ii_I2_Uo/Rb) ο
[0036]通過(guò)步驟1、2、3、4分別確定的主要器件、壓基準(zhǔn)的輸出電壓幅值取值范圍、零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器R2電阻值的取值范圍，保證了壓力傳感器電路的靜態(tài)消耗電流小于3.8mA，滿足壓力傳感器的調(diào)試要求。
[0037]步驟5:
[0038]預(yù)置電流轉(zhuǎn)換電路4中主要固定電阻器的電阻值，應(yīng)滿足以下條件:R9= R10，R11= R12，R11、R12的電阻值遠(yuǎn)大于R13，應(yīng)滿足R13彡0.1% XR11，并且R13彡100Ω。
[0039]R9和R10、R11和R12的匹配使電壓信號(hào)放大更為精確，R13彡0.1%XR11，目的是提高電流轉(zhuǎn)換電路4的輸出阻抗。
[0040]步驟6:
[0041]根據(jù)電流轉(zhuǎn)換電路4的上述預(yù)置的各固定電阻器的電阻值，計(jì)算壓力傳感器滿量程輸出時(shí)，電壓放大電路3輸出端Vout的電壓值計(jì)算式為:Uout= ( 1max X R13) X R9/R12。其中1max為壓力傳感器的最大輸出電流幅值。
[0042]步驟7:
[0043 ]根據(jù)壓力敏感電橋的輸出靈敏度，確定電壓放大電路3的放大倍數(shù)。設(shè)壓力敏感電橋的輸出電壓靈敏度為Vs，則電壓放大電路3的放大倍數(shù)A = Uout/(Vs X Uo)。電壓放大電路3的放大倍數(shù)A應(yīng)不大于150。
[0044]如果不滿足上述要求，則應(yīng)重新按照步驟5更改電流轉(zhuǎn)換電路4中固定電阻器預(yù)置的電阻值，具體放大時(shí)適當(dāng)減小R9的阻值。
[0045]步驟8:
[0046]根據(jù)運(yùn)算放大器的最大輸入失調(diào)電流Ib和最大輸入偏置電流Iqs，以及敏感電橋的最小零位輸出電壓Ubmin，確定放大倍數(shù)調(diào)整電阻RlOO的最大取值。計(jì)算方法如下:R100SUbmin/ (Ib+1s)。
[0047]步驟9:
[0048]根據(jù)電壓放大電路3的放大倍數(shù)A和放大倍數(shù)調(diào)整電阻R100，計(jì)算固定電阻器R3、R4的電阻值取值范圍，計(jì)算方法為:R3 = R4彡RlOO X (A-1)/2。
[0049]通過(guò)步驟8控制RlOO的阻值范圍、步驟9控制R3和R4的取值范圍，使運(yùn)算放大器工作在最佳狀態(tài)，減小由于運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電流和偏置電流對(duì)微弱信號(hào)放大的影響，提尚放大電壓的穩(wěn)定性。
[0050]步驟IO:
[0051 ]選定電壓放大電路3中其余固定電阻器的電阻值。應(yīng)滿足以下條件:R5 = R6 = R7 =R8彡1kQ。
[0052]步驟11:
[0053]在調(diào)試時(shí)，將壓力敏感電橋的輸出保持在零位輸出，保持RlOO為最大值不變，調(diào)整R200的阻值，使壓力傳感器電路的輸出電流值為4mA，觀察電流值的跳變情況。在上述條件，從瓷介電容器C3 = C4 = 0.01uF逐漸增加C3、C4的電容量，直至輸出穩(wěn)定后，再將C3、C4的電容量增大50%，作為C3、C4電容量的最終取值，以保證放大電路3工作在穩(wěn)定狀態(tài)，避免輸出電壓的波動(dòng)而影響壓力傳感器的輸出。
[0054]步驟12:
[0055]根據(jù)壓力傳感器的電磁兼容性等要求確定電路中其它元器件的參數(shù)，如Zl、Z2、D1、D2、C1、C2、R1、R14等器件的規(guī)格和參數(shù)。
[0056]步驟13:
[0057]通過(guò)調(diào)整可變電阻器RlOO和R200，使壓力傳感器的零位輸出為4mA，最大壓力時(shí)輸出為20mA。
[0058]實(shí)施例
[0059]如圖2所示，敏感電橋2選用濺射薄膜壓力敏感電橋，其輸出靈敏度為1.5mV，敏感電橋的橋阻最小值為3.2k Ω，最小零位輸出電壓為0.lmV，實(shí)施步驟如下:
[0060]步驟1、選擇低功耗精密器件運(yùn)算放大器和電壓基準(zhǔn):
[0061]根據(jù)圖1電路選擇主要低功耗精密器件運(yùn)算放大器和電壓基準(zhǔn)。
[0062]運(yùn)算放大器的選擇條件為:低靜態(tài)消耗電流:所述運(yùn)算放大器N2A、N2B、N2C和N2D四運(yùn)算放大器的最大靜態(tài)消耗電流總和為I1,則應(yīng)有I1Sl.5mA;允許在單電源，低電壓輸入條件下正常工作;輸出電壓幅值盡可能接近工作電源電壓，軌對(duì)軌運(yùn)算放大器尤為適用。如選擇軌對(duì)軌四通道運(yùn)算放大器0P491或者ADA4091-4等低功耗四通道運(yùn)算放大器，可滿足調(diào)試要求。
[0063]電壓基準(zhǔn)的選擇條件為:低靜態(tài)消耗電流，設(shè)電壓基準(zhǔn)的最大靜態(tài)消耗電流為12，則應(yīng)有I2Sl.2mA;輸出電壓幅值可通過(guò)輸出引腳編程或者可調(diào)整;輸出電壓具有高精度的特點(diǎn)。如可編程高精度電壓基準(zhǔn)AD584。
[0064]步驟2、測(cè)定敏感電橋的最小內(nèi)阻值:
[0065]在敏感電橋不同通電的情況下，在最大工作范圍內(nèi)，測(cè)定敏感電橋的最小內(nèi)阻值Rb ο
[0066]選用的濺射薄膜壓力敏感電橋，在工作溫度范圍內(nèi)的最小內(nèi)阻值R(B)= 3.2kQ。
[0067]步驟3、確定電壓基準(zhǔn)的輸出電壓幅值:
[0068]通過(guò)計(jì)算式確定電壓基準(zhǔn)的輸出電壓幅值:1^((3.8-^-12) XRb。
[0069]步驟I選擇的軌對(duì)軌四通道運(yùn)算放大器0P491，其最大靜態(tài)消耗電流I1Sl.2mA;可編程高精度電壓基準(zhǔn)AD584，其最大靜態(tài)消耗電流I2Sl.0mA。而敏感電橋的最小內(nèi)阻值R(B)= 3.2kQ，則有Uo<(3.8-11-12) XR(b) = 5.12V。
[0070]可編程高精度電壓基準(zhǔn)AD584的輸出電壓選擇為Uo = 5V。
[0071]步驟4、確定零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器R2的電阻值:
[0072]確定零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器R2的電阻值。為了保證壓力傳感器電路的靜態(tài)消耗電流不大于3.8mA以滿足所述壓力傳感器電路具有可調(diào)試的條件。則有:1^23(3.8-1^12-Uo/Rb)ο
[0073]根據(jù)上述可確定的參數(shù)，可確定R2多133kΩ，可取R2 = 200kQ。
[0074]步驟5、預(yù)置電流轉(zhuǎn)換電路4中主要固定電阻器的電阻值；
[0075]預(yù)置電流轉(zhuǎn)換電路4中主要固定電阻器的電阻值，應(yīng)滿足以下條件:R9= R10，R11= R12，R11、R12的電阻值遠(yuǎn)大于R13，一般應(yīng)滿足R13彡0.1% XR11，并且R13彡100Ω。
[0076]按照上述條件預(yù)置電流轉(zhuǎn)換電路4中主要固定電阻器的電阻值，如取R9 = R10 =47kΩ ,Rll=R12 = 200kQ ,R13 = 150Q。
[0077 ]步驟6、計(jì)算電壓放大電路(3)輸出端Vout的電壓值:
[0078]根據(jù)電流轉(zhuǎn)換電路4的上述預(yù)置的各固定電阻器的電阻值，計(jì)算壓力傳感器滿量程輸出時(shí)，電壓放大電路(3)輸出端Vout的電壓值計(jì)算式為:Uout = (I (OMAX) X Rl3) X R9/R12。其中Ι(_ο為壓力傳感器的最大輸出電流幅值，I(_o = (20-4)mA=16mA。
[0079]則Uout= (I(C)MAx) XR13) XR9/R12 = 564mV。
[0080]步驟7、確定電壓放大電路3的放大倍數(shù):
[0081 ]根據(jù)壓力敏感電橋的輸出靈敏度，確定電壓放大電路3的放大倍數(shù)。設(shè)壓力敏感電橋的輸出電壓靈敏度為Vs，則電壓放大電路3的放大倍數(shù)A = Uout/(Vs X Uo)。電壓放大電路3的放大倍數(shù)A應(yīng)不大于150。
[0082]如果不滿足上述要求，則應(yīng)重新按照步驟5更改電流轉(zhuǎn)換電路4中固定電阻器預(yù)置的電阻值，具體放大時(shí)適當(dāng)減小R9的阻值。
[0083]上述采用的濺射薄膜壓力敏感電橋，輸出電壓的靈敏度為1.5mV/V，則根據(jù)上式可計(jì)算電壓放大電路3的放大倍數(shù)A = Uout/(Vs XUo) =75.2< 150，滿足設(shè)計(jì)要求。
[0084]步驟8、確定放大倍數(shù)調(diào)整電阻RlOO的最大取值:
[0085]根據(jù)運(yùn)算放大器的最大輸入失調(diào)電流Ib和最大輸入偏置電流1s，以及敏感電橋的最小零位輸出電壓U(BM1n)，確定放大倍數(shù)調(diào)整電阻RlOO的最大取值范圍。計(jì)算方法如下:R10^Ubmin/(Ib+1s)。
[0086]查詢0P491數(shù)據(jù)表可知:運(yùn)算放大器的最大輸入失調(diào)電流IB= 95nA，最大輸入偏置電流1s = 22nA。測(cè)量上述采用的濺射薄膜壓力敏感電橋在工作電壓Uo條件下，最小輸出電壓Ubmin=0.ImV0
[0087]放大倍數(shù)調(diào)整電阻1?100彡1](麗迅)/(18+105)=854.7 0。
[0088]步驟9、確定固定電阻器R3、R4的取值范圍:
[0089]根據(jù)電壓放大電路3的放大倍數(shù)A和放大倍數(shù)調(diào)整電阻R100，計(jì)算固定電阻器R3、R4的電阻值，計(jì)算方法為:R3 = R4彡RlOO X (A-1)/2。
[0090]根據(jù)前述步驟確定的參數(shù):A = 75.2，R100彡854.7Ω，計(jì)算得:R3 = R4=彡RlOO X(A-l)/2 = 31.709kQ。
[0091]根據(jù)上述計(jì)算值，考慮保持電路的穩(wěn)定裕度，取R3= R4 = 15kQ。
[0092]步驟10、選定電壓放大電路3中其余固定電阻器的電阻值:
[0093]選定電壓放大電路3中其余固定電阻器的電阻值，應(yīng)滿足以下條件:R5= R6 = R7 =R8彡1kQ。
[0094]選擇肋=1?6= 1?7 = 1?8 = 2001^。
[0095]步驟11、確定電容器C3、C4的電容量:
[0096]在調(diào)試時(shí)，將壓力敏感電橋的輸出保持在零位輸出，保持RlOO為最大值不變，調(diào)整R200的阻值，使壓力傳感器電路的輸出電流值為4mA，觀察電流值的跳變情況。在上述條件，從瓷介電容器C3 = C4 = 0.01uF逐漸增加C3、C4的電容量，直至輸出穩(wěn)定后，再將C3、C4的電容量增大50 %。
[0097]根據(jù)上述方法，當(dāng)C3 = C4 = 0.47uF時(shí)，零位電流輸出穩(wěn)定；因此最終選取C3 = C4 =IuF0
[0098]步驟12，確定電路中其它元器件的參數(shù):
[0099]根據(jù)壓力傳感器的電磁兼容性等其它確定電路中其它元器件的參數(shù)，如Zl、Z2、D1、D2、C1、C2、R1、R14等器件的規(guī)格和參數(shù)。
[0100]步驟13、調(diào)整可變電阻器RlOO和R200:
[0101]通過(guò)調(diào)整可變電阻器RlOO和R200，使壓力傳感器的零位輸出為4mA，最大壓力時(shí)輸出為20mA。
[0102]通過(guò)驗(yàn)證，按照上述電路結(jié)構(gòu)及調(diào)試方法設(shè)計(jì)的壓力傳感器，具有良好的穩(wěn)定性，在(-40?70) °C溫度范圍內(nèi)綜合誤差均小于± I %。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓力傳感器電路，其特征在于:包括電壓基準(zhǔn)電路(I)、敏感電橋(2)、電壓放大電路(3)、電流轉(zhuǎn)換電路(4)四部分，其中，壓力傳感器包括電氣節(jié)點(diǎn)￥(:(:、1_、56腸、￥+、Vref、Earth、+Vin、-Vin和Vout ；電壓基準(zhǔn)電路(I)與節(jié)點(diǎn)VCC、1uT、SGND、V+、Vref和Earth相連接，敏感電橋(2)通過(guò)節(jié)點(diǎn)SGND、V+與電壓基準(zhǔn)電路(I)連接，敏感電橋(2)通過(guò)節(jié)點(diǎn)+Vin、-Vin與電壓放大電路(3)連接，電壓放大電路(3)通過(guò)節(jié)點(diǎn)V+、SGND、Vref與電壓基準(zhǔn)電路(I)連接，電壓放大電路(3)通過(guò)節(jié)點(diǎn)Vout與電流轉(zhuǎn)換電路(4)連接，電流轉(zhuǎn)換電路(4)通過(guò)節(jié)點(diǎn)V+、SGND與電壓基準(zhǔn)電路(I)連接，其中，所述電氣節(jié)點(diǎn)VCC、IQUT、SGND、V+、Vref、Earth、+Vin、-Vin、Vout的電氣定位分別為壓力傳感器的電源輸入端、壓力傳感器的電流輸出端、信號(hào)地、電壓基準(zhǔn)電路的輸出端、零位調(diào)試電壓輸出端、屏蔽地、電壓放大電路(3)的正輸入端、電壓放大電路(3)的負(fù)輸入端、電壓放大電路(3)的輸出端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器電路，其特征在于，所述運(yùn)算放大器N2A、N2B、N2C和N2D為低功耗運(yùn)算放大器，電壓基準(zhǔn)電路(I)選用低功耗的電壓基準(zhǔn)器件。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器電路，其特征在于，電壓基準(zhǔn)電路(I)的輸出電壓幅值通過(guò)如下方法確定:Uo(UJ-11-12)XRb,其中Uo為電壓基準(zhǔn)的輸出電壓，Rb為敏感電橋(2)的最小內(nèi)阻值，1:為四通道運(yùn)算放大器的最大靜態(tài)消耗電流，I2為設(shè)電壓基準(zhǔn)的最大靜態(tài)消耗電流。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器電路，其特征在于，所述固定電阻器R2、R3、R4……R13、R14選用低電感量的電阻器件，其中電阻值R3 = R4彡50kQ，R5 = R6 = R7 = R8彡1k Ω，R9 = R10，R11=R12，滿足R13彡0.1% XR11，并且R13彡100Ω。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力傳感器電路，其特征在于，確定零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器R2電阻值范圍的計(jì)算方法為:R2彡(3.8-11-12-Uo/Rb)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力傳感器電路，其特征在于，根據(jù)電流轉(zhuǎn)換電路(4)中預(yù)置的各固定電阻器的電阻值，計(jì)算電壓放大電路(3)輸出端Vout的電壓值Uout，計(jì)算方法為:Uout = (IcmaxXR13) XR9/R12，其中I(OMAX)為壓力傳感器的最大輸出電流幅值。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓力傳感器電路，其特征在于，電壓放大電路(3)的放大倍數(shù)A= Uout/(Vs XUo)，其中壓力敏感電橋的輸出電壓靈敏度為Vs，電壓放大電路(3)的放大倍數(shù)A應(yīng)不大于150;如果電壓放大電路(3)的放大倍數(shù)A不滿足要求，則應(yīng)重新更改電流轉(zhuǎn)換電路(4)中固定電阻器預(yù)置的電阻值，具體方法為:保持R11、R12、R13的電阻值不變，同步減小R9、RlO的電阻值，直至使電壓放大電路(3)的放大倍數(shù)AS 150。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓力傳感器電路，其特征在于，根據(jù)運(yùn)算放大器的最大輸入失調(diào)電流Ib和最大輸入偏置電流I os，以及敏感電橋的最小零位輸出電壓Ubmin，確定放大倍數(shù)調(diào)整電阻RlOO的最大取值范圍，計(jì)算方法如下:RlOO彡Ubmin/(Ib+1s)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓力傳感器電路，其特征在于:在調(diào)試時(shí)，將壓力敏感電橋的輸出保持在零位輸出，保持RlOO為最大值不變，調(diào)整R200的阻值，使壓力傳感器電路的輸出電流值為4mA，觀察電流值的跳變情況，在上述條件，從瓷介電容器C3 = C4 = 0.0I uF逐漸增加C3、C4的電容量，直至輸出穩(wěn)定后，再將C3、C4的電容量增大50%，作為C3、C4電容量的最終取值。10.—種基于權(quán)利要求1所述的壓力傳感器的調(diào)試方法，其特征在于，具體過(guò)程如下:步驟1、選擇電壓基準(zhǔn)電路(I)中低功耗精密器件運(yùn)算放大器和電壓基準(zhǔn)，步驟2、測(cè)定敏感電橋(2)最小內(nèi)阻值，步驟3、確定電壓基準(zhǔn)電路I中電壓基準(zhǔn)的輸出電壓幅值，步驟4、確定電壓基準(zhǔn)電路(I)中零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器的電阻值，通過(guò)步驟1、步驟2、步驟3、步驟4分別確定的主要器件、壓基準(zhǔn)的輸出電壓幅值取值范圍、零位調(diào)整基準(zhǔn)固定電阻器R2電阻值的取值范圍，保證壓力傳感器電路的靜態(tài)消耗電流小于3.8mA，滿足壓力傳感器的調(diào)試要求；步驟5、預(yù)置電流轉(zhuǎn)換電路(4)中固定電阻器的電阻值，使電壓信號(hào)放大更為精確，提高電流轉(zhuǎn)換電路(4)的輸出阻抗;步驟6、計(jì)算電壓放大電路(3)輸出端Vout的電壓值，步驟7、確定電壓放大電路3的放大倍數(shù)，步驟8、確定電壓放大電路(3)中放大倍數(shù)調(diào)整電阻器的最大取值，步驟9、選定電壓放大電路3中用于差動(dòng)放大的兩個(gè)運(yùn)算放大器的負(fù)反饋固定電阻器的電阻值取值范圍，通過(guò)步驟6、7、8、9實(shí)現(xiàn)電壓放大電路(3)中放大倍數(shù)調(diào)整電阻器的最大取值、用于差動(dòng)放大的兩個(gè)運(yùn)算放大器的負(fù)反饋固定電阻器的電阻值取值范圍，使運(yùn)算放大器工作在最佳狀態(tài)，減小由于運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電流和偏置電流對(duì)微弱信號(hào)放大的影響，提高放大電壓的穩(wěn)定性;步驟10、選定電壓放大電路(3)中其余固定電阻器的電阻值;步驟11、確定電壓放大電路(3)中用于差動(dòng)放大的兩個(gè)運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電容器的電容值，以保證放大電路(3)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，避免輸出電壓的波動(dòng)而影響壓力傳感器的輸出；步驟.12、確定電路中其它元器件的參數(shù);步驟13、調(diào)整電壓基準(zhǔn)電路(I)中零位調(diào)整可變電阻器和電壓放大電路(3)中放大倍數(shù)調(diào)整電阻器的電阻值，使壓力傳感器的零位輸出和最大壓力時(shí)輸出值滿足要求。
【文檔編號(hào)】G01L1/22GK105973509SQ201610296426
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月6日
【發(fā)明人】徐陽(yáng)輝, 樊佩生, 王輝
【申請(qǐng)人】武漢航空儀表有限責(zé)任公司