传感器的电气特性对ADC性能的影响

要想实现精确的电桥测量，需要考虑的一个重要因素是传感器的电气特性对 ADC 性能的影响。下表显示了典型负载单元中使用的电阻式电桥的通用规格表。其中FS表示满量程。

其中许多特性的误差是可以校准的，而其他误差必须添加到总误差预算中。以下简要介绍表上中的一些较为重要的电气特性，因此并不涵盖所有特性。

电桥灵敏度

电桥灵敏度指的是施加最大负载时每伏激励电压 VEXCITATION 的最大预期输出电压。典型电桥负载单元的灵敏度为 1mV/V 至 3mV/V，例如表 4-1 中的电桥，其灵敏度为2mV/V。该值表示，VEXCITATION 每增加 1V，电桥输出将增加2mV。例如，在施加最大负载的情况下，用5V电压激励此电桥可产生 10mV 的最大电桥输出。 这个10mV输出电压也是 ADC 测得的最大差分输入电压。使用该值可以确定需要多大的增益才能增加测得的输入信号并提高ADC满量程范围的利用率。许多ADC都包含可编程增益放大器来实现上述目的。

电桥电阻

电桥具有不同的标称电阻值，但120Ω、350Ω 和 1000Ω 最常见。较低的电桥电阻也可能需要很大的电流才能驱动。例如，使用VEXCITATION = 5V 驱动350Ω电桥需要 14.3mA 电流。这可能比测量电路（包括ADC和放大器）消耗的电流大很多。实际上，电桥的功耗可能是系统功耗预算中最大的一部分。此外，这个较大的激励电流可与激励路径中的任何寄生电阻产生相互作用，导致电桥上的实际电压与ADC测得的基准电压不匹配。通过使用六线电桥，可以消除此误差。

输出共模电压

通常，当AVDD = VEXCITATION时，所需的电桥输出共模电压是ADC电源 AVDD 的 1/2。这是 ADC的理想共模输入电压，并可实现最大增益。 有些系统使用大于 AVDD 的 VEXCITATION。如果是这样，电桥输出共模电压可能会与ADC输入共模范围不匹配。 例如，为了尽可能提高传感器输出而选择 VEXCITATION= 10V ，会将电桥共模电压设置为 5V。如果ADC的 AVDD = 5V，则此测量可能非常接近 ADC 输入范围限值。此外，用于放大电桥输出的高增益放大器通常会将共模输入范围限制为远低于AVDD，因此需要替代解决方案。后面的文章中有VEXCITATION> AVDD 时适应电桥配置的电路。

失调电压

理想电桥输出应该是在未施加负载的情况下为0V。但实际上电桥在未施加负载的情况下具有非零输出。此误差是使负载响应向上或向下平移的失调电压，如下图所示。

失调电压可能有各种来源。制造容差可能导致电桥元件之间的标称电阻不同。即使在未施加负载的情况下，这也会导致固有的失调电压误差，通常会在传感器数据表中指定。 在传感器外部，电桥连接中的寄生热电偶可能会产生随温度变化的微小失调电压。此外，与电桥导线电阻或任何ADC输入滤波电阻相互作用的ADC输入偏置电流也可能产生微小的失调电压。 无论是什么失调电压源，都可以使用数字方式或其他有源电路方法（例如交流激励）将失调电压轻松归零，从而校准该误差。

满量程误差

满量程误差或增益误差是消除失调电压后负载条件下的实际和理想电桥测量响应之间的斜率差异。上图给出了满量程误差的一个示例。满量程误差的来源包括比例式测量中的导线阻抗或来自 ADC的固有增益误差。此外，电桥灵敏度容差可能会改变负载与输出电压曲线的斜率，并导致误差。例如，上表中给出的±15%容差可以使典型2mV/V 电桥灵敏度跨越 1.7mV/V 至 2.3mV/V 的范围。假设 VEXCITATION = 5V，理想的电 桥最大输出信号为 2mV/V • 5V = 10mV。但实际电桥最大输出信号的范围可能是 8.5mV（负误差）至 11.5mV（正误差）。 幸运的是，满量程误差是一种测量增益误差，通常可以对照已知输入来测试测量系统进行校准。

非线性误差和迟滞

非线性误差是指随着电桥输出的增加，输出曲线与预期满量程直线输出的偏差。此非线性由电桥电阻式元件的特性所致。例如，电阻式电桥元件超过特定范围或负载时，可能具有更强的非线性。电桥数据表通常会表征非线性并建议限制最大负载以使非线性保持在较低水平。

与非线性误差相似，迟滞是随电桥输出而变化的小误差。不过，此误差可能会不同，具体取决于电桥输出是提高还是降低。迟滞与非线性误差加在一起称为组合误差。组合误差是在从空载到最大负载条件（提高和降低）范围 内相对于直线的最大误差。下图以图形方式显示了非线性误差、迟滞和组合误差。

非线性误差和迟滞不容易校准。这些误差可能因装置的不同而不同，因此校准需要在电桥的整个工作范围内进行 许多次测量。不过，这些误差一般比失调电压和满量程误差小得多。另外值得注意的是，ADC可能会导致非线性 误差，但与电桥非线性误差相比，该误差一般可以忽略不计。

漂移

上表中所示的许多参数都是在一个温度下指定的，该温度通常为 25°C。漂移误差指定这些参数如何在某个温度范围内变化。一种常见的漂移误差是失调电压漂移，指的是电桥初始失调电压随温度的变化。另一种常见的漂移误差是满量程漂移，指定电桥输出斜率如何随温度变化。同样，ADC本身具有影响测量精度的漂移特性。失调电压和增益漂移误差通常以%FS/°C 为单位表 示，但也可能使用其他单位。由于非线性或不同的极性，温度漂移可能很难进行补偿。此外，精确校准这些误差可能需要在整个工作温度范围内的不同点进行测量。在设计任何电桥测量系统时，重要的是确定工作温度范围并计算漂移可能导致的预期系统误差。

蠕变和蠕变恢复

蠕变是指在已施加负载但所有其他环境因素不变的情况下电桥输出的变化。负载单元在负载下经过一段时间后可能会产生变形，从而导致蠕变。蠕变恢复是指在取消负载条件后电桥输出的变化。这两种误差都是在给定时间段内的额定值，可能包含在电桥数据表中。不过，这些误差与ADC测量本身没有关系。与某些其他参数类似，蠕变和蠕变恢复是无法进行校准的误差。产生的影响必须在系统设计的误差预算之内。

审核编辑：汤梓红