基于壓阻敏感元件的壓力信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)*

張佳寧，甄國(guó)涌，侯　卓

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原　030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原　030051）

基于壓阻敏感元件的壓力信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)*

張佳寧1，2，甄國(guó)涌1，2，侯卓1，2

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

摘要：針對(duì)壓力信號(hào)測(cè)量中壓阻式敏感元件的壓力信號(hào)易受溫度影響，并且壓力信號(hào)中常常會(huì)混有噪聲干擾信號(hào)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的基于壓阻式敏感元件的壓力信號(hào)調(diào)理電路。該方案采用恒流源供電方式消除溫度影響，通過(guò)放大電路將傳感器輸出的微弱信號(hào)放大，再經(jīng)抗混疊低通濾波電路濾除干擾信號(hào)；并對(duì)壓力信號(hào)調(diào)理電路中各個(gè)模塊進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)試驗(yàn)表明：該信號(hào)調(diào)理電路將溫度影響減小到0.01%，并且能夠有效地濾除壓力信號(hào)中的高頻信號(hào)。

關(guān)鍵詞：壓力信號(hào)，恒流源，抗混疊低通濾波電路

0　引言

在航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域中，對(duì)壓力的測(cè)量有很高的要求，而與應(yīng)變式傳感器和壓電傳感器等相比較壓阻式壓力傳感器因其靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，頻響快，廣泛應(yīng)用于航天航空事業(yè)中。然而，基于壓阻式敏感元件的壓力傳感器的輸出信號(hào)易受溫度影響，并且輸出的壓力信號(hào)中常常會(huì)混有噪聲干擾信號(hào)，嚴(yán)重影響壓力信號(hào)的質(zhì)量?；谏鲜鰡?wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種可以消除溫度影響的壓力信號(hào)調(diào)理電路，同時(shí)濾除高頻噪聲信號(hào)，最大程度地還原所測(cè)量的壓力信號(hào)的真實(shí)情況；并使用相關(guān)的儀器設(shè)備對(duì)調(diào)理電路進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證其可靠性和準(zhǔn)確性。

1　總體方案設(shè)計(jì)

基于壓阻式的敏感元件即基于壓阻效應(yīng)的敏感元件，當(dāng)敏感元件感受到外界壓力時(shí)，敏感元件的彈性膜片上的應(yīng)力作用會(huì)引起壓敏電阻電阻率的變化，從而引起電阻值的變化［1］，這就是壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)將壓力的改變轉(zhuǎn)變?yōu)槿珮螂娐冯娮柚档母淖?，電阻的改變?cè)俎D(zhuǎn)為電壓值輸出，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路調(diào)理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。圖1為調(diào)理模塊設(shè)計(jì)框圖：

圖1　調(diào)理模塊設(shè)計(jì)總框圖

2　全橋電路分析

敏感元件內(nèi)部的全橋電路如圖2所示。

圖2　全橋電路

當(dāng)外界壓力P=0，并且溫度沒(méi)有變化時(shí)，采用恒壓源供電電橋的輸出電壓為：

如果采用恒流源供電，輸出電壓為：

電橋的輸出電壓還與外界溫度的變化、壓力的改變有關(guān)。假設(shè)組成全橋電路的電阻值及其溫度系數(shù)完全相等，即R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)外界壓力P不為零時(shí)，壓力變化引起電阻的改變量為ΔR，其中R1、R3隨著壓力的改變電阻值變大，R2、R4則相反；溫度變化引起電阻的改變量為ΔRT，并假設(shè)4個(gè)電阻均為正溫度系數(shù)電阻，此時(shí)，采用恒壓源供電電橋的輸出電壓為：

采用恒流源供電電橋的輸出電壓為：

式（4）簡(jiǎn)化后為：

式（5）簡(jiǎn)化后為：

從式（5）、式（6）可以看出，與恒壓源激勵(lì)方式相比，恒流源激勵(lì)方式消除了溫度對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響，同時(shí)還有利于減小靈敏度溫度漂移［2］。

3　調(diào)理電路設(shè)計(jì)

3.1恒流源-電橋輸出信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)全橋電路的分析，敏感元件選用恒流源供電方式。圖3為恒流源供電電路與電橋輸出信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)圖。

圖3　恒流源供電與信號(hào)放大電路

恒流源供電電路設(shè)計(jì)采用三端可調(diào)、高精度、寬電壓范圍電流源LM134來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了濾掉電源設(shè)備帶來(lái)的噪聲，并且穩(wěn)定LM134的供電電壓，提高整個(gè)電路的測(cè)試精度，設(shè)計(jì)了線(xiàn)性穩(wěn)壓電源并將供電電壓穩(wěn)定為5 V，電路設(shè)計(jì)如圖3右上角所示，穩(wěn)壓電源的輸出電壓U01由式（7）決定：

IADJ是引腳ADJ的偏置電流，為了降低輸出電壓對(duì)引腳ADJ偏置電流的影響，電阻R7的阻值不能超過(guò)250 KΩ，根據(jù)式（7）計(jì)算出電阻R8=6.2 KΩ，R7=2 KΩ。同時(shí)為了減小輸出電壓的誤差，電阻都選用精度為1%的金屬膜電阻。在芯片引腳旁路端和輸出端接電容C6可以降低輸出端噪聲，C6最大值為0.01 uF，電容C6與輸入端電容C7、輸出端電容C9一起改善電源負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，降低響應(yīng)時(shí)間，C7和C9一般選擇10 uF。

基于壓阻效應(yīng)的敏感元件自身也受溫度影響，但是設(shè)計(jì)中所選用的敏感元件內(nèi)部已經(jīng)集成了溫度補(bǔ)償電路，消除了溫度對(duì)敏感元件的影響，因此，設(shè)計(jì)調(diào)理電路時(shí)，敏感元件內(nèi)部的溫度影響不用考慮，只需考慮調(diào)理電路與溫度的關(guān)系。恒流源LM134產(chǎn)生的電流與溫度有關(guān)，它產(chǎn)生的電壓與絕對(duì)環(huán)境溫度成比例關(guān)系，25℃時(shí)敏感電壓為64 mV，為了消除溫度影響，外接電阻R6和二極管1N457（溫度系數(shù)-2.5 mV/K）構(gòu)成零溫度系數(shù)恒流源，溫度系數(shù)由式（8）決定，

敏感元件供電電流值的選取除了與敏感元件本身有關(guān)，還與芯片壓差有關(guān)，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中分別在輸出電流為3.6 mA、1.2 mA、1.0 mA，負(fù)載電阻2 KΩ、6 KΩ、4 KΩ做壓差驗(yàn)證試驗(yàn)，表1為壓差驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

分析數(shù)據(jù)得出：在壓差≥1.5 V，即供電電壓分別大于等于8.7 V，7.5 V，5.5 V時(shí)，LM134的實(shí)際輸出電流與理論相符，分別為3.6 mA、1.2 mA、1.0 mA；當(dāng)壓差＜1.5 V時(shí)，電流會(huì)下降且不穩(wěn)定，因此，得出LM134的壓差為1.5 V。由于芯片供電電壓為5V，減去芯片的壓差1.5V，敏感元件的分壓最多為3.5V，考慮到電路要冗余設(shè)計(jì)，以及電源供電誤差、恒流源對(duì)敏感元件線(xiàn)性度的影響和敏感元件本身的性質(zhì)，將電橋供電電流設(shè)為0.8 mA，此時(shí)敏感元件的分壓為3.2 V。電橋供電電流具體如式（9），電阻計(jì)算如式（10）：

表1　LM134壓差驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

I1為流過(guò)電阻R5的電流值，I2為流過(guò)電阻R6的電流值，Ibais為偏置電流，其中、Ibais約為I1的5.9%計(jì)算時(shí)可包含于I1。結(jié)合式（8）、式（9）與式（10）計(jì)算出電阻的具體值為R5=160 Ω，R6=1.6 KΩ。

壓力信號(hào)經(jīng)敏感元件、恒流源電路供電轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐递敵觯请姌蜃兓瘜?duì)應(yīng)的電壓輸出級(jí)為mV級(jí)［3］，即使在滿(mǎn)載情況下，最大輸出也只有100mV，若直接輸出則信號(hào)有可能被系統(tǒng)本身的紋波所淹沒(méi)，因此，必須進(jìn)行調(diào)理將待測(cè)信號(hào)通過(guò)放大、濾波操作。該電壓放大電路選用儀表放大器AD8227，增益電阻R9=80 KΩ/（G-5），增益電阻懸空時(shí)，放大倍數(shù)為5。電橋電路分壓的一半為放大電路輸入端的共模電壓，即該放大電路的共模輸入電壓為1.6 V，雖然AD8227具有很高的CMR，能夠使儀表放大器從疊加在強(qiáng)共模噪聲和干擾信號(hào)中提取出微弱的差分信號(hào)，但是儀表放大器存在的射頻整流問(wèn)題會(huì)降低CMR，因此，在AD8227輸入端設(shè)計(jì)了射頻干擾（RFI）電路［3］，射頻干擾電路如圖3左半部分，保證儀表放大器的輸入端可以保持相同的射頻信號(hào)幅度，其差分帶寬和共模帶寬由式（11）、式（12）決定：

3.2濾波電路設(shè)計(jì)

敏感元件內(nèi)部電橋的輸出信號(hào)很容易受到外界高頻噪聲的干擾，引起信號(hào)的混疊，因此，通常需要增加抗混疊濾波電路，根據(jù)信號(hào)與噪聲的頻率特征將有用信號(hào)提取出來(lái)除去噪聲信號(hào)獲得較高的信號(hào)信噪比［4］。

本設(shè)計(jì)采用截止頻率可調(diào)的抗混疊低通濾波器LTC1569實(shí)現(xiàn)濾波，濾波電路如圖4所示。

圖4　低通濾波器

LTC1569具有陡直的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)和高的品質(zhì)因素［5］，可選擇用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置分頻，根據(jù)CLK引腳的不同接法，可以將內(nèi)部分頻設(shè)置為1：1，1：4；1：16，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路，分頻設(shè)置為1：16，截止頻率計(jì)算公式如下：

所測(cè)的壓力信號(hào)截止頻率為10 KHz，則R16= 8 KΩ，電阻選用精度為1%的金屬膜電阻，提高測(cè)試的精度，最大程度的還原壓力信號(hào)的真實(shí)情況。

3.3阻抗變換器設(shè)計(jì)

經(jīng)LTC1569濾波后的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)阻抗變換器，因?yàn)闉V波電路的輸出阻抗比較高，直接輸出會(huì)分掉一部分的電壓，而阻抗變換器的Ri=∞，在輸入端不存在加載，R0=0，輸出端口也不存在加載，所以U04=VOUT，即接受全部的電壓而無(wú)任何損失，同時(shí)沒(méi)有輸送出任何電流，也不存在功率損耗，達(dá)到了阻抗匹配的目的［6］，電路設(shè)計(jì)如圖5右半部分所示。

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1溫度影響試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)好的調(diào)理電路、敏感元件以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)連接并組裝在一起，放入高低溫試驗(yàn)箱中，在-40℃～60℃的環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試溫度對(duì)調(diào)理電路的影響，表2為在不同溫度下測(cè)試調(diào)理電路所記錄的輸入電壓VCC與LM134輸出電流的數(shù)據(jù)。

由表2可以看出，溫度在從-20℃變化到60℃范圍內(nèi)，LM134供電電壓僅變化了0.01 V，而線(xiàn)性穩(wěn)壓電源輸出的電壓不僅給LM134芯片供電，也給調(diào)理電路中其他的芯片供電，穩(wěn)定的供電電壓提高了整個(gè)調(diào)理電路的精確度，保證了電路設(shè)計(jì)的一致性。同時(shí)電流變化僅為0.003 mA，即0.003 75 mA/℃，很好地消除了溫度對(duì)敏感元件調(diào)理電路的影響。

4.2頻率測(cè)試結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)利用示波器、信號(hào)源等設(shè)備測(cè)試電橋輸出信號(hào)的放大倍數(shù)以及抗混疊低通濾波電路的結(jié)果，圖5是峰值為100 mV的輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大電路和濾波電路前后的波形圖，從圖中可以看出，輸入信號(hào)經(jīng)放大電路放大為0.1 V～4.9 V，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；并且抗混疊低通濾波電路的幅頻特性曲線(xiàn)在經(jīng)過(guò)截止頻率后會(huì)大幅度下降，有效地衰減高頻噪聲信號(hào)，從而避免混疊現(xiàn)象的發(fā)生。

表2　不同溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

圖5　電橋輸出信號(hào)經(jīng)放大、濾波前后的波形對(duì)比圖

5　結(jié)論

本文針對(duì)壓阻式敏感元件的壓力信號(hào)的測(cè)量易受溫度影響，并且信號(hào)中常?；煊性肼暤膯?wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的壓力信號(hào)調(diào)理電路，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該信號(hào)調(diào)理電路能夠可靠地、有效地解決壓力信號(hào)易受溫度影響、以及信號(hào)中混有高頻噪聲的問(wèn)題。同時(shí)將基于壓阻效應(yīng)的敏感元件與所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組裝在一起進(jìn)行測(cè)試，并與標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)壓力傳感器測(cè)試的值做對(duì)比，二者的值十分接近，誤差范圍在±80 mV。本文設(shè)計(jì)的壓力信號(hào)調(diào)理電路能夠應(yīng)用到精確度較高的壓力信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0640（2016）04-0141-04

收稿日期：2015-02-28修回日期：2015-04-10

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51075375）

作者簡(jiǎn)介：張佳寧（1990-），女，山西大同人，碩士研究生。研究方向：電路與系統(tǒng)。

Design of Pressure Signal Adjustment Circuit Based on Piezoresistive Sensitive Element

ZHANG Jia-ning1，2，ZHEN Guo-yong1，2，HOU Zhuo1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Abstract：According to the problems that the pressure signal of piezoresistive sensitive element is easily affected by temperature and the pressure signal is often mixed with noise，a new pressure signal adjustment circuit based on piezoresistive effect is designed.The constant current source circuit is designed to eliminate temperature influence，and the amplifier circuit enlarges the weak output signal，then through the circuit of the anti-aliasing low-pass filter filters interference signals.And every module in the pressure signal adjustment circuit is theoretical analyzed and experimented.By means of test，the signal conditioning circuit reduces the temperature influence to 0.01%and high frequency noise in the sensor signal can be effectively filtered through this sensor signal adjustment circuit.

Key words：pressure signal，constant current source，anti-aliasing low-pass filter circuit