大部分感应器实质上全是模仿的，因而务必智能化后才可用以当今的电子控制系统中。这篇运用手记的主要内容覆盖了比例感应器的基本概念以及与数模转换器（ADC）的搭配应用。尤其是，文中还将表明怎样运用感应器和ADC的比例特点来提升精密度，与此同时降低元器件数量，控制成本，节约线路板室内空间。

注：文中中常说的比例特点就是指元器件輸出与待精确测量和别的工作电压或电流量的比率相关。

感应器和感性负载检验元器件

很多感应器的輸出与其说电源电压全是成百分比的。这一般 是由于造成輸出的磁感应元器件是比例元器件。最普遍的比例元器件是电阻，其电阻值随被检测的变动而转变。电阻器式溫度探测器（RTD）和应变计全是常见的感性负载光敏电阻器。

感性负载元器件的比例性是因为其特性阻抗不可以同时精确测量。其值是由电阻器两边的电流与历经电阻器的电流量的比率明确的。

R = V/I 公式计算1 （欧母定律）

应用感性负载元器件的感应器一般 令一个电流量穿过电阻器并检测其工作电压。在輸出感应器以前，能够将该工作电压开展变大或脉冲信号偏位，可是其尺寸依然与穿过电阻器的电流量有关。假如该电流量来自于电源电压，那麼感应器的导出与电源电压成占比。公式计算2叙述了这种占比感应器的輸出（图1），在其中Vs是输入输出数据信号，Ve是鼓励工作电压，S是控制器的敏感度，P是测定主要参数的数值，C是控制器的失衡量。

Vs = Ve （P x S C） 公式计算2

图1. 占比型感应器

Honeywell?［1］ MLxxx-C系列产品液位传感器是诸多车辆占比感应器中有着象征性的元器件。如在5V允差电源电压下工作中时，失调电压为0.5V，满度輸出为4.5V。假如更改鼓励工作电压，失调电压和满度輸出会随着按占比转变。

必须了解鼓励工作电压才可应用輸出数据信号，这在很多运用中是很不方便的。为了更好地处理这一难题，生产制造商与电源电路上提升了一个工作电压标准。这类元器件可带来十分准确的工作电压，并与气温和电源电压不相干。假如流过磁感应电阻器的电流量来自于标准工作电压，那麼公式计算2中的Ve可以用一个参量更换。进而获得公式计算3，在其中的新参量包括在S2和C2当中。

Vs = P x S2 C2 公式计算3

由于輸出数据信号仅为被测技术参数的涵数，因此 公式计算3并不是占比关联。Honeywell企业的MLxxx-R5系列压测力传感器就是是非非占比感应器。如在7V和35V中间的一切电源电压下工作中时，失衡都是1V，满度輸出为6V。

数模转换器（ADC）与感性负载元器件

用以将感应器数据信号智能化的ADC也是占比元器件。不管其內部构架怎样，全部ADC全是根据对不明键入电流与已经知道参照工作电压相较为来运行的。转化器的智能化輸出是键入电流与参照电流的比率乘于ADC的满度读值。充分考虑內部变大和设计方案的多元性，还必须一个占比因素K。不管K值尺寸，只需ADC的配备未更改，K值都维持稳定不会改变。公式计算4叙述了一个普适性上的ADC （图2）的数据读值（D）和键入数据信号（Vs），参照工作电压（Vref），满度读值（FS）及其占比因素（K）间的关联。

D = （Vs/Vref）FS x K 公式计算4

图2. 普适性上的数模转换器

参照电流的来源于与ADC的实际设计方案相关。在一些ADC中参照工作电压是电源电压，而在另一些ADC中参照工作电压来自于內部标准源，在别的设计方案中，客户务必将参照工作电压联接至ADC的Vref键入端。假如采用了內部或外界工作电压标准，使参照工作电压变成 一个衡定值，则公式计算4可简化为公式计算5，在其中K2是一个新的参量，其数值FS x K/Vref。

D = Vs x K2 公式计算5

感应器的精确测量

由一个非占比感应器和具备固定不动参照电流的ADC构成的小体系的輸出可根据将公式计算3 （感应器的輸出）中的Vs （ADC的键入）带入公式计算5中获得。如公式计算6所显示。

D = P x S2K2 C2K2 公式计算6

公式计算6得出了需要的准确关联。数据数值（D）尺寸与P的变动成占比，而且仅受P更改的危害。D不会受到气温和电源电压转变的危害。

省掉工作电压标准

运用工作电压标准平稳感应器和ADC是一种合理且必不可少的技术性。殊不知，并不是一直尽量的技术性。

文中的一部分将探讨怎样创造性运用ADC的参照工作电压键入，进而省掉很多感应器电源电路中的工作电压标准和电流源。这类设计方案节约了元器件成本费、线路板室内空间及其工作电压“静空”。因为节省了工作电压标准，非理想化标准有关的偏差也荡然无存，因而精密度也明显改善。这类技术性已在汽车制造业中使用很多年。感应器和ADC与电源电压的比率关联一经明确，便不用精准的工作电压标准。

与之类似的选用电流量推动感应器和模块件感性负载感应器（如RTD）的技术性已不常见了。这种电源电路中ADC的敏感度会随溫度或电源电压的变动而转变。尽管这般，ADC和感应器键入的搭配或是非常稳定性的。

与电源电压成百分比的感应器

将公式计算2中的键入数据信号（Vs）带入公式计算4，便可获得精确测量占比感应器时ADC的輸出。得到公式计算7，该公式计算表明：D是P，Ve和Vref的涵数。

D = P（S x FS x K x Ve/Vref） C（FS x K x Ve/Vref） 公式计算7

乍一看，公式计算7中的方式 好像并不理想化，由于輸出（D）是三个自变量的涵数，而并不是单单是P的涵数。殊不知，认真观察会发觉：Ve/Vref的比率是十分关键的，独立的数据并无过多实际意义。假如Ve和Vref工作电压来源于同一个开关电源，则非常容易获得稳定的Ve/Vref比率。一旦那样的话，D将与P的变动成占比，而且只与P的改变相关。设Ve/Vref比率为一个参量，公式计算7可简化为与公式计算6类似的方式。因而，这就表明不用工作电压标准也可以完成一样的特性。

从现实使用的视角看来，Ve和Vref务必充分大，那样才可以防止噪音影响；与此同时Ve和Vref还务必处在ADC和感应器所选定的范畴内。用正电源电压做为Ve和Vref的电压源一般 能够达到以上规定，而且容许为很多串联的感应器供电系统，如图所示3［2］所显示。

图3中MAX1238的前面有一个12键入的多路复用器，且内嵌一个工作电压标准。在这样的情形下，虽沒有与ADC标准相关的额外成本费，可是若想给10个感应器中的每一个都提升标准则会使成本费显著增加。 MAX1238还容许AN11键入做为参照工作电压。将AN11做为参照键入并将其联接至5V开关电源，可设定ADC的满度键入为5V，并有利于与占比型感应器搭配应用。在图3中，MAX1238的内部参考工作电压并不是闲置不用。可以用手机软件操纵內部工作电压标准并用以确诊，如精确测量电源电压。可根据联接到键入AN10的分压器来完成。

图3. MAX1238 ADC容许AN11键入做为参照工作电压，因而，ADC可与占比感应器搭配应用。

图3的拓扑结构特别适合车辆运用和这些由单开关电源供电系统，供电缆线道路上损耗不大的运用。并不太适合这些工作上务必采用长输电线的感应器或是是ADC和感应器由不一样开关电源供电系统的运用。

电流量推动的电桥电路

在低噪音自然环境或是系统软件中，若液位传感器紧靠ADC置放，很有可能沒有需要应用带数据信号扩大的感应器。在那些使用中，成本低桥式輸出感应器更合适。为了更好地减少感应器成本费，与此同时在全部温度范围内给予优良的特性，很多该类液位传感器，如Nova Sensor企业的NPI-19系列产品［3］全是由电流源供电系统而不是电压源供电系统。（更具体的阐述请参照附则1）。公式计算8得出了这类电流量推动的感应器的輸出，在其中Ie是鼓励电流量。

Vs= Ie （S x P C） 公式计算8

图4得出了一个常见于桥式輸出感应器的电流源。该电流源由一个低温度系数电阻器，一个运放电路及一个工作电压标准构成。假如ADC和液位传感器融合于一个构件中，则电流源的工作电压标准也能为ADC给予参照工作电压。在图4的线路中，工作电压标准与此同时被用于平稳感应器和ADC，使他们不会受到转变的环境温度和电源电压的危害。

图4. 该设计方案中电流量推动感应器的电流源由一个电阻器，一个计算放大仪和一个工作电压标准构成。

与图4相近的另一种方式 如图所示5所显示的电源电路，不用电流源或工作电压标准。必须特别注意的是：尽管感应器和ADC的搭配在全部温度范围内都很平稳，可是ADC和感应器都具备较大的温漂。假如独立精确测量，感应器的敏感度将随环境温度的上升而减少，而ADC的敏感度则上升。因为在全部温度范围内ADC輸出并不是平稳的，因此 将该方式用以ADC有多通道键入的线路时需要非常当心。

图5. 感应器和ADC组成的另一种设计方法，不用单独的电流源或工作电压标准。

从图5能够得到公式计算9：

Vref = Ie x R1 公式计算9

将公式计算9中的Vref和公式计算8中的Vs带入以上ADC的公式计算4 ，得到公式计算10。

D = ［Ie （S x P C）/（Ie x R1）］（FS x K） 公式计算10

由于分子和分母中带有鼓励电流量（Ie），因而可消除。从而可获得公式计算11，表明輸出与鼓励电流量不相干。假如将公式计算11中的常数项合拼，将再度得到与公式计算6等效电路的公式计算：含有工作电压标准的系统软件。

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

假如R1做为一个参量，它一定具备较低的温度系数。与图4对比，图5规定R1具备优良的溫度可靠性，这并没有其缺陷，由于图4中的阻值也需要具备优良的溫度可靠性。

公式计算11中沒有R2，并且电源电路中也不用R2。可是，对R2开展剖析是因为表明它并不危害ADC读值。R2可以用另一个电流量推动的液位传感器、RTD或一个固体电源开关的电阻器替代，而并不会危害ADC读值。

理论上，能够选用多路键入ADC和多个串连推动的电流量型感应器。殊不知，感应器串连会促使鼓励电流量（Ie），感应器数据信号（Vs）及其参照工作电压（Vref）更低。当传传感器串连时，必须注意对ADC Vref的规定及系统软件噪音。

RTD

RTD是另一种一般 与电流源相互配合应用的感应器。RTD的常见材质是铂，一般 具备约3，800ppm/°C的正温度系数。精确测量RTD的传统的办法是将其做为电阻器桥的一个接线端子。殊不知，在具体运用中，非常少应用电阻器桥。成本低高像素ADC的出现在，促使只需推动一个电流量穿过RTD，并立即精确测量RTD两边的工作电压这类简易计划方案更加经济发展。这类办法防止了非均衡桥的离散系统难题，而且省掉了构成电阻器桥的三个精密电阻。

图6中的电源电路也不用运用电桥电路或是平稳的电流源来精确测量RTD （Rt）。该电源电路只须要一个平稳的标准电阻器（R1）和一个低级别的功率电阻就可以。

图6. 不用电阻器桥或平稳电流源来精确测量Rt的电源电路

由图6能够得到以下公式计算：

Vs = （V ） x Rt/（R1 R2 Rt） 公式计算12

Vref = （V ） x R1/（R1 R2 Rt） 公式计算13

将公式计算12中的Vs和公式计算13中的Vref带入公式计算4，得到图6中ADC的輸出。历经简单化可获得公式计算14。公式计算14表明：假如R1是时间常数，D则正比例于、且仅随Rt的变动而转变，这恰好是所希望的結果。

D = FS x K x （Rt/R1） 公式计算14

由公式计算14 能够看得出，R2不危害读值；R2减少了Rt所耗费的输出功率。要是没有R2得话，Rt的本身发热量将造成溫度示数发生非常大偏差。R2还减少了ADC的共模键入工作电压。这对一些共模键入电流电压范畴低于电源电压的ADC是十分需要的。

类似MAX1403的ADC包括用以推动RTD的电流源。殊不知，他们并并不是高精密电流源，还必须开展一些校正。校正一般 是选用一个附加的ADC键入来精确测量由同样的电流源推动的参照电阻器来完成的。随后，选用手机软件依照已经知道电阻的测量值依占比明确不明电阻的测量值。尽管这个技术性能够非常好地工作中，但是，将R1做为参照电阻器更为简易而且不需要附加的ADC键入。板上的电流源仍能用于鼓励RTD和参照电阻器。用一个电流源更换图6中的R2不容易对公式计算14造成危害。

一些ADC可给予2个相互之间搭配的电流源用以精准测量远程控制RTD。在那些运用中长款输电线的阻值会提升RTD的特性阻抗，进而造成偏差，务必想办法除去。成本费最少的解决方法是选用三线RTD。如图所示7所显示，电流源1可用以造成RTD两边的损耗。该电流源仍在通往RTD的上端输电线上造成附加的损耗。为了更好地赔偿这一不必要的损耗，用电流源2在中间的输电线上造成一个损耗。根据RTD底端的输电线使这两个电流源流向地。RTD上三根输电线的尺寸和材质都同样，那样可使相互间的电阻器十分贴近。配对电阻器传输配对电流量可造成配对的损耗。因而，上端的两条输电线损耗彼此之间相抵，ADC上的差分信号键入电流与RTD两边的电流同样。

图7. MAX1403 ADC有两个配对的电流源，在该线路中，电流源1用以造成RTD两边的损耗，电流源2用以造成正中间输电线的损耗。

溫度和工作压力

图8融合了图5和图6中的设计构思，选用一个非常简单的电源电路，以单独电阻器做为标准与此同时测量温度和工作压力。Vs1和Vs2的幅度值相距非常大。这一误差可根据更改ADC （比如MAX1415）内嵌可编程控制器增益值放大仪（PGA）的收获开展调整。这种转化器容许PGA对各个入口都设定不一样的增益值。增益值的变化可使公式计算4中的K值更改，因而，容许单独参照工作电压可以满足较宽标准的键入工作电压。

图8. 用单独电阻器做为标准的简单电路测量温度和工作压力

惠斯通电桥

惠斯通电桥是由Charles Wheatstone爵土（1802至1875）在电力电子技术发展趋势的初期环节创造发明的。惠斯通电桥根据对三个已经知道阻值和一个不明阻值开展较为来测定电阻器。当电桥电路正好做到均衡时，电阻器精确测量值与鼓励工作电压、仪表盘精密度或电源电路中的仪表盘负荷不相干。在尚未具有工作电压规范和高质量仪表盘的时期，这一标准是十分关键的。殊不知，电桥电路在当今仍很时兴，由于在全部电桥电路电阻器具备同样的温度系数时，他们不容易形成大的失衡并能抑止溫度效用。

图9是一个由同一电压源供电系统的2个分压器构成的惠斯通电桥。习惯性将电桥电路画成棱形，由于这个样子注重了同一电压源为每一个分压器供电系统的必要性。电桥电路的輸出（Vo）是2个分压器输出电压之差（公式计算15）。当Vo为零时，称电桥电路到达均衡。在这类标准下，由于Ve与一个为零项乘积，因此 鼓励工作电压（Ve）的准确值并不重要。公式计算16可估算出均衡电桥电路中不明电阻器（Ru）的电阻值。在具体运用中，一般 使Ra = Rb，那样公式计算16可简化为Ru = Rc。

图9. 由同一个电压源供电系统的分压器构成的惠斯通电桥平面图

Vo = Vb（Rc/（Rc Ru） - Rb/（Ra Rb）） 公式计算15

若Vo = 0，则Ru = Rc x Ra/Rb 公式计算16

现阶段早已非常少应用均衡电桥电路精确测量电阻器，可是在感应器中选用非均衡电桥电路非常普遍。在加工厂校正时，电桥电路一般 被均衡在一个甄选的作业点上；根据精确测量电桥电路中的不平衡来检测与该点的误差。下边举例子以该方法应用电桥电路的优势。

假设将一个硅地应力计与塑料薄膜相黏合，组成一个液位传感器，并具备所希望的工作压力屏幕分辨率（0.1%）。在0psi和25°C标准下，电阻器的电阻值为5000Ω。在100psi （满度工作压力）和25°C的标准下，阻值提升2%，做到5100Ω。除开对地应力比较敏感，电阻器对溫度也比较敏感，具备2000ppm/°C的阻值温度系数（TCR）。

因为在全部工作压力范畴内电阻转变了100Ω，因而需要可以辨别0.1—＃937；的电阻器才可以得到0.1psi （0.1%）的工作压力屏幕分辨率。精确测量5000Ω中的0.1Ω等同于50，000分之一或15.6位的屏幕分辨率。比屏幕分辨率更明显的难题是气温改变的危害。因为电阻器具备较高的TCR，溫度每转变1°C，等同于工作压力转变10psi对电阻器的危害。每℃的气温改变对电阻器的危害等同于满度的10%。

如今考虑到电桥电路中选用同样的电阻器，鼓励工作电压为2V时的状况。别的三个电阻器全是5000Ω，并和磁感应电阻器具备同样的TCR。这种电阻器的组装标准可以保障其等温过程。这类方法具备2个明显的优势。

该使用中电桥电路的最大的优势是它能抑止溫度造成的转变。剖析公式计算15发觉TCR不会再是难题。即便 电桥电路电阻器翻倍輸出仍维持不会改变。只需全部电阻器按同占比转变，其輸出不会改变！

电桥电路的第二个优势是减少了屏幕分辨率规定。在工作压力为0psi时，电桥电路輸出是0mV，在100psi时电桥电路輸出为10mV。要精确测量0.1psi的工作压力，则必须从10mV中辨别10μV。相对性于立即精确测量电阻器必须15.6位的屏幕分辨率来讲，只必须10位的屏幕分辨率。

从现实使用的视角看来，10位ADC不可以同时精确测量10μV的数据信号。数据信号务必变大。数据信号扩大的费用也许会使不用外界放大仪的高像素ADC更吸引人。低分辨率计划方案的最大的优势取决于其对标准的规定。设计方案能在全部時间和温度范围内平稳做到16位屏幕分辨率的工作电压标准、电流源或参照电阻器一般是脱离实际的。

该案例中的标值选择并不是用于有意突显电桥电路的必要性。这种数据针对很多压阻式液位传感器十分典型性（见附则2）。

惠斯通电桥的归一化处理

应用非均衡惠斯通电桥的不足之处是其具备离散系统。公式计算15真分数中的Ru项表明：电桥电路的导出与Ru并不是线性方程关联。电阻器转变十分钟头线形偏差也不大，而当电桥电路不平衡时线形偏差也增大。幸运的是，假如ADC参照工作电压来源于电桥电路得话，就可清除这一偏差。

图10所显示为一个带数字表明的简易温度感应器。溫度磁感应元器件（Rt）是铂RTD。挑选铂是由于其阻值随溫度线形转变。电桥电路去除0°时的不必要数据信号，那样可让ADC的读值相当于溫度。公式计算17得出了图10中的电桥电路数据信号（Vs）。公式计算18是ADC的参照工作电压。两数据信号全是Rt的非线性函数，可是他们一同功效的结论是直线的。

图10. 在具备数据表明的简洁的温度感应器中，电桥电路去除0°时的不必要数据信号，促使ADC读值相当于溫度。

Vs = （Vb）（R3/（R2 R3） - （R1/（R1 Rt）） 公式计算17

Vfer = （Vb）（R1/（R1 Rt） 公式计算18

ADC的輸出（公式计算19）是将公式计算17和18中的Vs和Vref各自带入公式计算4中得到的。公式计算19表明选用这一参照工作电压时，ADC輸出变成Rt的线性方程，并减掉所希望的偏位项。

D = Rt（R3/（R1（R2 R3）） - R2/（R2 R3） 公式计算19

在图10中，R3b和R1b各自调整失衡量和敏感度。当开展控制时，显示屏将立即以°C或°F为企业表明溫度的尺寸。唯一的一个显著偏差来源于RTD本身的离散系统。0°C至100°C范畴内该偏差仅为十分之几℃。

根据MAX1492 ADC的串行通信插口，还可对图10电源电路的失衡偏差和敏感度偏差开展数据校准。这类校正方式 不但不用R1a和R3a，并且还带来了校准RTD中线形偏差的机遇。假如必须更好的检测屏幕分辨率，可以用MAX1494更换MAX1492，可使屏幕分辨率升高一位。

依据公式计算19，R4的值不容易危害读值。电源电路中提升R4能够减少RTD的本身发热量。与此同时也减少了来源于电桥电路的数据信号，而且减少了参照工作电压。尽管MAX1492无內部PGA，可是它容许应用较小的参照工作电压。应用较小的参照电流能够省掉附加的运算放大器。

结语

在很多感应器运用中，运用简单电路，使感应器輸出和ADC参照键入中间维持合理的关联，能够省掉工作电压标准和电流源。除开控制成本和节约室内空间以外，这种线路还可清除不理想化标准所加入的偏差，改进特性。

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