低成本传感器及A/D转换接口的设计考虑

大多数传感器本质上都是模拟的，因此必须数字化后才可用于当前的电子系统中。这篇应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)的配合使用。尤其是，本文还将说明如何利用传感器和ADC的比率特性来提高精度，同时减少元件数目，降低成本，节省电路板空间。

注：本文中所说的比率特性是指器件输出与待测量和其他电压或电流的比例有关。

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比例的。这通常是因为产生输出的感应元件是比率器件。最常见的比率元件是电阻器，其阻值随被测量的变化而变化。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测量。其值是由电阻两端的电压与经过电阻的电流的比值确定的。

R = V/I 公式1 (欧姆定理)

使用阻性元件的传感器通常令一个电流流过电阻并测量其电压。在输出传感器之前，可以将该电压进行放大或电平偏移，但是其大小仍然与流过电阻的电流相关。如果该电流来自于电源电压，那么传感器的输出与电源电压成比例。公式2描述了这类比例传感器的输出(图1)，其中Vs是输出信号，Ve是激励电压，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. 比例型传感器

Honeywell™[1] MLxxx-C系列压力传感器是众多汽车比例传感器中具有代表性的器件。当在5V标称电源电压下工作时，失调电压为0.5V，满量程输出为4.5V。如果改变激励电压，失调电压和满量程输出会随之按比例变化。

需要知道激励电压才可使用输出信号，这在许多应用中是很不方便的。为了解决这一问题，制造商在电路上增加了一个电压基准。这种器件可提供非常精确的电压，并与温度和电源电压无关。如果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。从而得到公式3，其中的新常数包含在S2和C2之中。

Vs = P x S2 + C2 公式3

因为输出信号仅为被测参数的函数，所以公式3不是比例关系。Honeywell公司的MLxxx-R5系列压力传感器就是非比例传感器。当在7V和35V之间的任何电源电压下工作时，失调都是1V，满量程输出为6V。

模数转换器(ADC)与阻性器件
用于将传感器信号数字化的ADC也是比例器件。无论其内部架构如何，所有ADC都是通过对未知输入电压与已知参考电压相比较来工作的。转换器的数字化输出是输入电压与参考电压的比值乘以ADC的满量程读数。考虑到内部放大和设计的多样性，还需要一个比例因子K。无论K值大小，只要ADC的配置未改变，K值都保持固定不变。公式4描述了一个普遍意义上的ADC (图2)的数字读数(D)和输入信号(Vs)，参考电压(Vref)，满量程读数(FS)以及比例因子(K)间的关系。

D = (Vs/Vref)FS x K 公式4

图2. 普遍意义上的模数转换器

参考电压的来源与ADC的具体设计有关。在一些ADC中参考电压是电源电压，而在另一些ADC中参考电压来自于内部基准源，在其他设计中，用户必须将参考电压连接至ADC的Vref输入端。如果使用了内部或外部电压基准，使参考电压成为一个衡定值，则公式4可简化为公式5，其中K2是一个新的常数，其值为FS x K/Vref。

D = Vs x K2 公式5

传感器的测量
由一个非比例传感器和具有固定参考电压的ADC组成的小系统的输出可通过将公式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给出了所需的确切关系。数字量值(D)大小与P的变化成比例，并且仅受P改变的影响。D不受温度和电源电压变化的影响。

省去电压基准
利用电压基准稳定传感器和ADC是一种有效且必要的技术。然而，并非总是最好的技术。

本文的其余部分将讨论如何创造性地利用ADC的参考电压输入，从而省去许多传感器电路中的电压基准和电流源。这种设计节省了元件成本、电路板空间以及电压"净空"。由于省去了电压基准，非理想基准相关的误差也不复存在，因此精度也有所改善。这种技术已在汽车工业中应用多年。传感器和ADC与电源电压的比例关系一经确定，便无需精确的电压基准。

与之相似的采用电流驱动传感器和单元件阻性传感器(如RTD)的技术已不常用了。这些电路中ADC的灵敏度会随温度或电源电压的变化而变化。虽然如此，ADC和传感器输入的组合还是相当稳定的。

与电源电压成比例的传感器
将公式2中的输入信号(Vs)代入公式4，便可得到测量比例传感器时ADC的输出。得出公式7，该公式表示：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中的方法似乎并不理想，因为输出(D)是