電壓分辨率 能夠接受的最小電壓分辨率可根據(jù)能夠檢測到的最小壓力變化所對應(yīng)的VOUT得到。極端情況為使用最低靈敏度的傳感器，在最高溫度和最低供電電壓下進(jìn)行測量。注意，式1中的偏移項(xiàng)不影響分辨率，因?yàn)榉直媛蕛H與壓力響應(yīng)有關(guān)。

使用式1以及上述假設(shè)：?

ΔVOUT?min = 4.75V (0.05psi/count 150μV/V/psi × (1+ (-2500ppm/°C) × (85°C -25°C)) ≈ 30.3μV/count

所以:?最低ADC分辨率 = 30μV/count?

輸入范圍

輸入范圍取決于最大輸入電壓和最小或者最負(fù)的輸入電壓。根據(jù)式1，產(chǎn)生最大VOUT的條件是：最大壓力(100psi)、最低溫度(-40°C)、最大電源電壓(5.25V)和3mV/V的偏移、-15μV/V/°C的偏移溫度系數(shù)、-2500ppm/°C的TCS、以及最高靈敏度的芯片(300μV/V/psi)。最負(fù)信號(hào)一般都在無壓力(P＝0)、電源電壓為5.25V、-3mV/V的偏移、-40°C的溫度以及OTC等于+15μV/V/°C的情況下出現(xiàn)。

再次使用公式1以及上述假設(shè)：

VOUT?max = 5.25V × (100psi · 300μV/V/psi × (1+ (-2500ppm/°C) ×?(-40°C?- 25°C)) + 3mV/V + (-0.015mV/V/°C) × (-40°C - 25°C)) - 204mV

VOUT?min = 5.25 × (-3mV/V + (0.015mV/V/°C × (-40°C - 25°C))) - -21mV

因此：ADC的輸入范圍 = -21mV到+204mV

分辨位數(shù)

適用于本應(yīng)用的ADC應(yīng)具有-21mV到+204mV 的輸入范圍和30μV/count的電壓分辨率。該ADC的編碼總數(shù)為(204mV + 21mV)/(30μV/count) = 7500 counts，或稍低于13位的動(dòng)態(tài)范圍。如果傳感器的輸出范圍與ADC的輸入范圍完全匹配，那么一個(gè)13位的轉(zhuǎn)換器就可以滿足需要。由于-21mV到+204mV的量程與通常的ADC輸入范圍都不匹配，因此需要或者對輸入信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)和放大，或者選用更高分辨率的ADC。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的分辨率高，具有雙極性輸入和內(nèi)部放大器，使高分辨率ADC的使用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這些Σ-Δ ADC提供了一個(gè)更為經(jīng)濟(jì)的方案，而不需要增加其它元器件。這不僅減小了電路板尺寸，還避免了放大和電平移位電路所引入的漂移誤差。

工作于5V電源的典型Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，采用2.5V參考電壓，具有±2.5V的輸入電壓范圍。為了滿足我們對于壓力傳感器分辨率的要求，這種ADC的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)當(dāng)是：(2.5V - (- 2.5V))/(30μV/count) = 166,667 counts。這相當(dāng)于17.35位，很多ADC都能滿足該要求，例如18位的MAX1400。如果選用SAR ADC，則是相當(dāng)昂貴的，因?yàn)檫@是將18位轉(zhuǎn)換器用于13位應(yīng)用，且只產(chǎn)生11位的結(jié)果。然而，選用18位(17位加上符號(hào)位)的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器更為現(xiàn)實(shí)，盡管三個(gè)最高位其實(shí)并沒有使用。除了廉價(jià)外，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器還具有高輸入阻抗和很好的噪聲抑制特性。

18位ADC可以使用帶內(nèi)部放大器的更低分辨率的轉(zhuǎn)換器來代替，例如16位的MAX1416。8倍的增益相當(dāng)于將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果向高位移了3位。從而利用了全部的轉(zhuǎn)換位并將轉(zhuǎn)換需求減少到15位。是選用無增益的高分辨率轉(zhuǎn)換器，還是有增益的低分辨率轉(zhuǎn)換器，這要看在具體使用的增益和轉(zhuǎn)換速率下的噪聲規(guī)格。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的有效分辨率通常受到噪聲的限制。

溫度測量

如果測量溫度僅僅是為了對壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，那么，溫度測量不要求十分準(zhǔn)確，只要測量結(jié)果與溫度的對應(yīng)關(guān)系具有足夠的可重復(fù)性即可。這樣將會(huì)有更大的靈活性和較松的設(shè)計(jì)要求。有三個(gè)基本的設(shè)計(jì)要求：避免自加熱、具有足夠的溫度分辨率、保證在ADC的測量范圍之內(nèi)。

使最大Vt電壓接近于最大壓力信號(hào)有利于采用相同的ADC和內(nèi)部增益來測量溫度和壓力。本例中的最大輸入電壓為+204mV。考慮到電阻的誤差，最高溫度信號(hào)電壓可保守地選擇為+180mV。將Rt上的電壓限制到+180mV也有利于避免Rt的自加熱問題。一旦最大電壓選定，根據(jù)在85°C (Rt = 132.8Ω)，VB?= 5.25V的條件下產(chǎn)生該最大電壓可以計(jì)算得到R1。R1的值可通過式3進(jìn)行計(jì)算，式中的Vtmax是RT上所允許的最大壓降。溫度分辨率等于ADC的電壓分辨率除以Vt的溫度敏感度。式4給出了溫度分辨率的計(jì)算方法。(注意：本例采用的是計(jì)算出的最小電壓分辨率，是一種較為保守的設(shè)計(jì)。你也可以使用實(shí)際的ADC無噪聲分辨。)

R1 = Rt × (VB/Vtmax - 1)	(式3)
R1 = 132.8Ω × (5.25V/0.18V - 1) ≈ 3.7kΩ	?
TRES?= VRES?× (R1 + Rt)2/(VB?× R1 × ΔRt/°C)	(式4)

這里，TRES是ADC所能分辨的攝氏溫度測量分辨率。

TRES?= 30μV/count × (3700Ω + 132.8Ω)2/(4.75V Ω 3700Ω × 0.38Ω/°C) ≈ 0.07°C/count

0.07°C的溫度分辨率足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。但是，如果需要更高的分辨率，有以下幾個(gè)選擇：使用一個(gè)更高分辨率的ADC；將RTD換成熱敏電阻；或?qū)TD用于電橋，以便在ADC中能夠使用更高的增益。

注意，要得到有用的溫度結(jié)果，軟件必須對供電電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償。另外一種代替方法是將R1連接到VREF，而不是VB。這樣可使Vt不依賴于VB，但也增加了參考電壓的負(fù)載。

優(yōu)化的電壓驅(qū)動(dòng)

硅應(yīng)變計(jì)和ADC的一些特性允許圖1電路進(jìn)一步簡化。從式1可以看出，電橋輸出與供電電壓(VB)直接成正比。具有這種特性的傳感器稱為比例傳感器。式5為適用于所有具有溫度相關(guān)誤差的比例傳感器的通用表達(dá)式。在式1中，將VB右邊的所有部分用通用表達(dá)式f(p,t)代替便是式5。這里，p是被測物理量的強(qiáng)度，而t則為溫度。

VOUT?= VB?× ?(p,t)

(式5)

ADC也具有比例屬性，它的輸出與輸入電壓和參考電壓的比直接成比例。式6描述了一般的ADC的數(shù)據(jù)讀取值(D)與輸入信號(hào)(Vs)、參考電壓(VREF)、滿量程讀數(shù)(FS)、以及比例因子(K)之間的關(guān)系。該比例因子與具體的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)以及內(nèi)部放大倍數(shù)有關(guān)。

D = (Vs/VREF)FS × K

(式6)

將式6中的Vs用式5中的VOUT表達(dá)式代換，ADC對于性能的影響就會(huì)顯現(xiàn)出來。結(jié)果見式7：

D = (VB/VREF) × ?(p,t) × FS × K

(式7)

由式7可見，對于測量結(jié)果而言，更為重要的是VB和VREF的比值，而非它們的絕對值。因此，圖1電路中的電壓基準(zhǔn)源可以不用。ADC的參考電壓可以取自一個(gè)簡單的電阻分壓器，只要保持恒定的VB/VREF之比即可。這一改進(jìn)不僅省去了電壓基準(zhǔn)，也免去了對VB的測量，以及補(bǔ)償VB變化所需的所有軟件。這種技術(shù)適用于所有比例傳感器。RT和R1串聯(lián)構(gòu)成的溫度傳感器也是比例型的，因此，溫度檢測也不需要電壓基準(zhǔn)。該電路如圖2所示。


圖2. 比例測量電路示例。壓力傳感器的輸出、RTD電壓、以及ADC參考電壓均與供電電壓直接成正比。該電路無需絕對電壓基準(zhǔn)，同時(shí)簡化了確定實(shí)際壓力時(shí)所必需的計(jì)算。?