基于压阻敏感元件的压力信号调理电路设计*

张佳宁，甄国涌，侯　卓

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原　030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原　030051）

基于压阻敏感元件的压力信号调理电路设计*

张佳宁1，2，甄国涌1，2，侯卓1，2

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

摘要：针对压力信号测量中压阻式敏感元件的压力信号易受温度影响，并且压力信号中常常会混有噪声干扰信号的问题，设计了一种新的基于压阻式敏感元件的压力信号调理电路。该方案采用恒流源供电方式消除温度影响，通过放大电路将传感器输出的微弱信号放大，再经抗混叠低通滤波电路滤除干扰信号；并对压力信号调理电路中各个模块进行了理论分析和试验验证。通过试验表明：该信号调理电路将温度影响减小到0.01%，并且能够有效地滤除压力信号中的高频信号。

关键词：压力信号，恒流源，抗混叠低通滤波电路

0　引言

在航天领域、军事领域中，对压力的测量有很高的要求，而与应变式传感器和压电传感器等相比较压阻式压力传感器因其灵敏度高、动态响应好，频响快，广泛应用于航天航空事业中。然而，基于压阻式敏感元件的压力传感器的输出信号易受温度影响，并且输出的压力信号中常常会混有噪声干扰信号，严重影响压力信号的质量。基于上述问题，本文设计了一种可以消除温度影响的压力信号调理电路，同时滤除高频噪声信号，最大程度地还原所测量的压力信号的真实情况；并使用相关的仪器设备对调理电路进行了测试，验证其可靠性和准确性。

1　总体方案设计

基于压阻式的敏感元件即基于压阻效应的敏感元件，当敏感元件感受到外界压力时，敏感元件的弹性膜片上的应力作用会引起压敏电阻电阻率的变化，从而引起电阻值的变化［1］，这就是压阻效应。压阻效应将压力的改变转变为全桥电路电阻值的改变，电阻的改变再转为电压值输出，经过调理电路调理，最终实现对压力的测量。图1为调理模块设计框图：

图1　调理模块设计总框图

2　全桥电路分析

敏感元件内部的全桥电路如图2所示。

图2　全桥电路

当外界压力P=0，并且温度没有变化时，采用恒压源供电电桥的输出电压为：

如果采用恒流源供电，输出电压为：

电桥的输出电压还与外界温度的变化、压力的改变有关。假设组成全桥电路的电阻值及其温度系数完全相等，即R1=R2=R3=R4=R，当外界压力P不为零时，压力变化引起电阻的改变量为ΔR，其中R1、R3随着压力的改变电阻值变大，R2、R4则相反；温度变化引起电阻的改变量为ΔRT，并假设4个电阻均为正温度系数电阻，此时，采用恒压源供电电桥的输出电压为：

采用恒流源供电电桥的输出电压为：

式（4）简化后为：

式（5）简化后为：

从式（5）、式（6）可以看出，与恒压源激励方式相比，恒流源激励方式消除了温度对传感器输出信号的影响，同时还有利于减小灵敏度温度漂移［2］。

3　调理电路设计

3.1恒流源-电桥输出信号放大电路设计

经过对全桥电路的分析，敏感元件选用恒流源供电方式。图3为恒流源供电电路与电桥输出信号放大电路设计图。

图3　恒流源供电与信号放大电路

恒流源供电电路设计采用三端可调、高精度、宽电压范围电流源LM134来实现。为了滤掉电源设备带来的噪声，并且稳定LM134的供电电压，提高整个电路的测试精度，设计了线性稳压电源并将供电电压稳定为5 V，电路设计如图3右上角所示，稳压电源的输出电压U01由式（7）决定：

IADJ是引脚ADJ的偏置电流，为了降低输出电压对引脚ADJ偏置电流的影响，电阻R7的阻值不能超过250 KΩ，根据式（7）计算出电阻R8=6.2 KΩ，R7=2 KΩ。同时为了减小输出电压的误差，电阻都选用精度为1%的金属膜电阻。在芯片引脚旁路端和输出端接电容C6可以降低输出端噪声，C6最大值为0.01 uF，电容C6与输入端电容C7、输出端电容C9一起改善电源负载瞬态响应，降低响应时间，C7和C9一般选择10 uF。

基于压阻效应的敏感元件自身也受温度影响，但是设计中所选用的敏感元件内部已经集成了温度补偿电路，消除了温度对敏感元件的影响，因此，设计调理电路时，敏感元件内部的温度影响不用考虑，只需考虑调理电路与温度的关系。恒流源LM134产生的电流与温度有关，它产生的电压与绝对环境温度成比例关系，25℃时敏感电压为64 mV，为了消除温度影响，外接电阻R6和二极管1N457（温度系数-2.5 mV/K）构成零温度系数恒流源，温度系数由式（8）决定，

敏感元件供电电流值的选取除了与敏感元件本身有关，还与芯片压差有关，在电路设计过程中分别在输出电流为3.6 mA、1.2 mA、1.0 mA，负载电阻2 KΩ、6 KΩ、4 KΩ做压差验证试验，表1为压差验证试验数据。

分析数据得出：在压差≥1.5 V，即供电电压分别大于等于8.7 V，7.5 V，5.5 V时，LM134的实际输出电流与理论相符，分别为3.6 mA、1.2 mA、1.0 mA；当压差＜1.5 V时，电流会下降且不稳定，因此，得出LM134的压差为1.5 V。由于芯片供电电压为5V，减去芯片的压差1.5V，敏感元件的分压最多为3.5V，考虑到电路要冗余设计，以及电源供电误差、恒流源对敏感元件线性度的影响和敏感元件本身的性质，将电桥供电电流设为0.8 mA，此时敏感元件的分压为3.2 V。电桥供电电流具体如式（9），电阻计算如式（10）：

表1　LM134压差验证试验数据

I1为流过电阻R5的电流值，I2为流过电阻R6的电流值，Ibais为偏置电流，其中、Ibais约为I1的5.9%计算时可包含于I1。结合式（8）、式（9）与式（10）计算出电阻的具体值为R5=160 Ω，R6=1.6 KΩ。

压力信号经敏感元件、恒流源电路供电转变为电压值输出，但是电桥变化对应的电压输出级为mV级［3］，即使在满载情况下，最大输出也只有100mV，若直接输出则信号有可能被系统本身的纹波所淹没，因此，必须进行调理将待测信号通过放大、滤波操作。该电压放大电路选用仪表放大器AD8227，增益电阻R9=80 KΩ/（G-5），增益电阻悬空时，放大倍数为5。电桥电路分压的一半为放大电路输入端的共模电压，即该放大电路的共模输入电压为1.6 V，虽然AD8227具有很高的CMR，能够使仪表放大器从叠加在强共模噪声和干扰信号中提取出微弱的差分信号，但是仪表放大器存在的射频整流问题会降低CMR，因此，在AD8227输入端设计了射频干扰（RFI）电路［3］，射频干扰电路如图3左半部分，保证仪表放大器的输入端可以保持相同的射频信号幅度，其差分带宽和共模带宽由式（11）、式（12）决定：

3.2滤波电路设计

敏感元件内部电桥的输出信号很容易受到外界高频噪声的干扰，引起信号的混叠，因此，通常需要增加抗混叠滤波电路，根据信号与噪声的频率特征将有用信号提取出来除去噪声信号获得较高的信号信噪比［4］。

本设计采用截止频率可调的抗混叠低通滤波器LTC1569实现滤波，滤波电路如图4所示。

图4　低通滤波器

LTC1569具有陡直的频率响应曲线和高的品质因素［5］，可选择用内部时钟或外部时钟来驱动电路设置分频，根据CLK引脚的不同接法，可以将内部分频设置为1：1，1：4；1：16，本设计采用内部时钟驱动电路，分频设置为1：16，截止频率计算公式如下：

所测的压力信号截止频率为10 KHz，则R16= 8 KΩ，电阻选用精度为1%的金属膜电阻，提高测试的精度，最大程度的还原压力信号的真实情况。

3.3阻抗变换器设计

经LTC1569滤波后的输出信号需要经过阻抗变换器，因为滤波电路的输出阻抗比较高，直接输出会分掉一部分的电压，而阻抗变换器的Ri=∞，在输入端不存在加载，R0=0，输出端口也不存在加载，所以U04=VOUT，即接受全部的电压而无任何损失，同时没有输送出任何电流，也不存在功率损耗，达到了阻抗匹配的目的［6］，电路设计如图5右半部分所示。

4　试验结果分析

4.1温度影响试验

将设计好的调理电路、敏感元件以及相应的结构连接并组装在一起，放入高低温试验箱中，在-40℃～60℃的环境中进行试验，测试温度对调理电路的影响，表2为在不同温度下测试调理电路所记录的输入电压VCC与LM134输出电流的数据。

由表2可以看出，温度在从-20℃变化到60℃范围内，LM134供电电压仅变化了0.01 V，而线性稳压电源输出的电压不仅给LM134芯片供电，也给调理电路中其他的芯片供电，稳定的供电电压提高了整个调理电路的精确度，保证了电路设计的一致性。同时电流变化仅为0.003 mA，即0.003 75 mA/℃，很好地消除了温度对敏感元件调理电路的影响。

4.2频率测试结果分析

本设计利用示波器、信号源等设备测试电桥输出信号的放大倍数以及抗混叠低通滤波电路的结果，图5是峰值为100 mV的输入信号在经过放大电路和滤波电路前后的波形图，从图中可以看出，输入信号经放大电路放大为0.1 V～4.9 V，满足设计要求；并且抗混叠低通滤波电路的幅频特性曲线在经过截止频率后会大幅度下降，有效地衰减高频噪声信号，从而避免混叠现象的发生。

表2　不同温度下的试验数据记录表

图5　电桥输出信号经放大、滤波前后的波形对比图

5　结论

本文针对压阻式敏感元件的压力信号的测量易受温度影响，并且信号中常常混有噪声的问题，设计了一种新的压力信号调理电路，并对其进行了相应的测试。实验结果表明，该信号调理电路能够可靠地、有效地解决压力信号易受温度影响、以及信号中混有高频噪声的问题。同时将基于压阻效应的敏感元件与所设计的信号调理电路以及相应的结构组装在一起进行测试，并与标准校准压力传感器测试的值做对比，二者的值十分接近，误差范围在±80 mV。本文设计的压力信号调理电路能够应用到精确度较高的压力信号测量系统中。

参考文献：

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［6］甄国涌，王向玲，侯卓.基于热电偶的温度测量信号调理电路［J］.核电子学与探测技术，2012，32（3）：269-271.

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）04-0141-04

收稿日期：2015-02-28修回日期：2015-04-10

*基金项目：国家自然科学基金资助项目（51075375）

作者简介：张佳宁（1990-），女，山西大同人，硕士研究生。研究方向：电路与系统。

Design of Pressure Signal Adjustment Circuit Based on Piezoresistive Sensitive Element

ZHANG Jia-ning1，2，ZHEN Guo-yong1，2，HOU Zhuo1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Abstract：According to the problems that the pressure signal of piezoresistive sensitive element is easily affected by temperature and the pressure signal is often mixed with noise，a new pressure signal adjustment circuit based on piezoresistive effect is designed.The constant current source circuit is designed to eliminate temperature influence，and the amplifier circuit enlarges the weak output signal，then through the circuit of the anti-aliasing low-pass filter filters interference signals.And every module in the pressure signal adjustment circuit is theoretical analyzed and experimented.By means of test，the signal conditioning circuit reduces the temperature influence to 0.01%and high frequency noise in the sensor signal can be effectively filtered through this sensor signal adjustment circuit.

Key words：pressure signal，constant current source，anti-aliasing low-pass filter circuit