电流驱动的电桥

　　在低噪声环境或者系统中，若压力传感器紧挨ADC放置，可能没有必要使用带信号放大的传感器。在这些应用中，低成本桥式输出传感器更适合。为了降低传感器成本，同时在整个温度范围内提供良好的性能，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。(更详细的论述请参见附录1)。公式8给出了这种电流驱动的传感器的输出，其中Ie是激励电流。

　　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，一个运算放大器及一个电压基准组成。如果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提供参考电压。在图4的电路中，电压基准同时被用来稳定传感器和ADC，使它们不受变化的温度和电源电压的影响。

图4. 该设计中电流驱动传感器的电流源由一个电阻，一个运算放大器和一个电压基准组成。

　　与图4类似的另一种方法如图5所示的电路，无需电流源或电压基准。需要注意的是：虽然传感器和ADC的组合在整个温度范围内都很稳定，但是ADC和传感器都具有很大的温漂。如果单独测量，传感器的灵敏度将随温度的升高而降低，而ADC的灵敏度则升高。由于在整个温度范围内ADC输出不是稳定的，所以将该方法用于ADC有多路输入的电路时必须特别小心。

图5. 传感器和ADC组合的另一种设计方法，无需独立的电流源或电压基准。

　　从图5可以得出公式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

　　因为分子和分母中含有激励电流(Ie)，因此可消去。 由此可得到公式11，表示输出与激励电流无关。如果将公式11中的常数项合并，将再次得出与公式6等效的公式：带有电压基准的系统。

　　D = P(S x FS x K/R1)+C(FS x K/R1) 公式11

　　如果R1作为一个常数，它必须具有较低的温度系数。与图4相比，图5要求R1具有良好的温度稳定性，这并不是其缺点，因为图4中的电阻也必须具有良好的温度稳定性。

　　公式11中没有R2，而且电路中也不需要R2。但是，对R2进行分析是为了说明它并不影响ADC读数。R2可用另一个电流驱动的压力传感器、RTD或一个固态开关的电阻代替，而不会影响ADC读数。

　　理论上，可以采用多通道输入ADC和数个串联驱动的电流型传感器。然而，传感器串联会使得激励电流(Ie)，传感器信号(Vs)以及参考电压(Vref)更低。当传感器串联时，需要特别注意对ADC Vref的要求及系统噪声。

　　RTD

　　RTD是另一种通常与电流源配合使用的传感器。RTD的常用材料是铂，通常具有约3,800ppm/°C的正温度系数。测量RTD的传统方法是将其作为电阻桥的一个端子。然而，在实际应用中，很少使用电阻桥。低成本高分辨率ADC的存在在，使得只需驱动一个电流流过RTD，并直接测量RTD两端的电压这种简单方案更为经济。这种方法避免了非平衡桥的非线性问题，并且省去了组成电阻桥的三个精密电阻。

　　图6中的电路也无需利用电桥或者稳定的电流源来测量RTD (Rt)。该电路只需要一个稳定的基准电阻(R1)和一个低等级的限流电阻即可。

图6. 无需电阻桥或稳定电流源来测量Rt的电路

　　由图6可以得出下列公式：

　　Vs = (V+) x Rt/(R1+R2+Rt) 公式12

　　Vref = (V+) x R1/(R1+R2+Rt) 公式13

　　将公式12中的Vs和公式13中的Vref代入公式4，得出图6中ADC的输出。经过简化可得公式14。公式14表示：如果R1是定值，D则正比于、且仅随Rt的变化而变化，这正是所期望的结果。

　　D = FS x K x (Rt/R1) 公式14

　　由公式14 可以看出，R2不影响读数；R2降低了Rt所消耗的功率。如果没有R2的话，Rt的自身热量将导致温度示数出现很大误差。R2还降低了ADC的共模输入电压。这对某些共模输入电压范围小于电源电压的ADC是非常必要的。

　　类似于MAX1403的ADC包含用于驱动RTD的电流源。然而，它们并不是精密电流源，还需要进行一些校准。校准通常是采用一个额外的 ADC输入来测量由相同的电流源驱动的参考电阻来实现的。然后，采用软件按照已知电阻的测量值依比例确定未知电阻的测量值。虽然这种技术可以很好地工作，不过，将R1作为参考电阻更加简单并且无需额外的ADC输入。板上的电流源仍能用来激励RTD和参考电阻。用一个电流源替换图6中的R2不会对公式14产生影响。

　　一些ADC可提供两个互相匹配的电流源用于精确测定远程RTD。在这些应用中长导线的电阻会增加RTD的阻抗，从而产生误差，必须想办法去除。成本最低的解决方案是采用三线RTD。如图7所示，电流源1可用于产生RTD两端的压降。该电流源还在通向RTD的上部导线上产生额外的压降。为了补偿这个多余的压降，用电流源2在中间的导线上产生一个压降。通过RTD底部的导线使这两个电流源流向地。RTD上三根导线的长度和材料都相同，这样可使彼此之间的电阻非常接近。匹配电阻传送匹配电流可产生匹配的压降。因此，上部的两根导线压降彼此抵消，ADC上的差分输入电压与RTD两端的电压相同。

图7. MAX1403 ADC有两个匹配的电流源，在该电路中，电流源1用于产生RTD两端的压降，电流源2用于产生中间导线的压降。

　　温度和压力

　　图8结合了图5和图6中的设计理念，采用一个很简单的电路，以单个电阻作为基准同时测量温度和压力。Vs1和Vs2的幅值相差很大。这个差值可通过改变ADC (例如MAX1415)内置可编程增益放大器(PGA)的增益进行调节。这些转换器允许PGA对每个通道都设置不同的增益。增益的改变可使公式4中的K值改变，因此，允许单个参考电压能够适应较宽范围的输入电压。

图8. 用单个电阻作为基准的简单电路测量温度和压力