CN217738500U - 一种压阻式压力传感器的调理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压阻式压力传感器的调理电路，属于传感器技术领域。包括用于给压力传感器输出信号的放大电路设计，放大电路设计采用三运放OP77构成仪表放大器模块，前级两运放电路主要是对信号进行去干扰与初步放大，后一级运放在对其进行高增益放大，仪表放大器两个输入端一脚接传感器芯片的输出信号，另一端接一个调压电路，利用滑动变阻器对电压进行分压，然后取出合适的电压大小输入到放大电路输入端作为一个钳位电压，用来固定模块的输出电压范围。与现有技术相比，本申请还针对压力传感器温度特性，对电路的供电以及电路温漂抑制进行设计，在电路中有效的抑制温度引起的测量误差，相比于软件补偿，硬件电路温度补偿更便利且实时补偿。

Description

一种压阻式压力传感器的调理电路

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种压阻式压力传感器的调理电路。

背景技术

传感器在自动化检测、自动化控制***等领域中发挥着非常重要的作用，其功能是感知并采集信号。比如在中继阀制动***试验台中，其最重要的是实现电空信号转换，压力传感器模块作为其中重要一环，其信号的精确性、稳定性都至关重要。压阻式压力传感器的原始输出信号属于微弱信号，容易受到噪声信号的干扰，并且不利于后续的采集和利用。同时在测试过程中，容易受到温度的影响。所以针对这些特点就需要合适的调理方法去优化解决。目前针对与压力传感器调理电路的设计，多注重的都是其稳定性，常用的大多为软件算法上的温度补偿或者增益补偿，大多较为复杂且补偿的精度也有限。

在针对传感器输出信号的放大增益也至关重要，在对信号进行采样输出时还需考虑传感器与多级放大电路之间存在的射频干扰以及放大器输入端的失调电压。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种压阻式压力传感器的调理电路。在硬件电路上进行了温度补偿，通过选取合适的供电电路来消除温度对传感器输入信号的影响，从而确保信号采集的稳定性，并进一步改进了***的放大增益模块，通过三运放组成仪表放大器电路用来实现对采集信号的增强，并通过滤波电路，有效滤除传感器与仪表放大器之间存在的射频干扰；并选取了ADC模数转换电路，从而采集传感器放大后的信号提供给单片机处理显示。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：包括仪表放大器模块、供电电路和ADC信号采集电路；

所述仪表放大器模块采用三运放电路设计，前级运放电路是对信号进行去干扰与初步放大，后一级运放电路在对其进行高增益放大；

所述仪表放大器模块包括调压电路、仪表放大器、滑动变阻器、低通滤波电路、开关二极管，所述仪表放大器的前级两个运放电路的一个输入端一脚接传感器芯片的输出信号，所述仪表放大器的前级两个运放电路的另一个输入端连接一个调压电路，所述仪表放大器的前级两个运放电路的输出端与仪表放大器的后级运放电路的两个输入端连接，所述仪表放大器为差分输入，所述仪表放大器的前级两个运放电路的两个输入端接入低通滤波电路，所述仪表放大器的后级运放电路在输出端连接一个开关二极管。

进一步的，所述供电电路是仪表放大器模块的电源输入电路，输入的电源信号经过抗干扰处理之后产生仪表放大器模块所需要的各种电源信号；

所述供电电路包括电源转换模块，12V电源输入到电源转换模块，通过固定电压三端集成稳压器对输入的电压信号进行转压，输出5V电压，所述电源转换模块的输出端与恒流源电路连接，所述恒流源电路的***电路连接两个电阻加一个二极管构成温度补偿电路，一个电阻和一个二极管与另一个电阻并联。

进一步的，所述ADC信号采集电路是用来对压力传感器模块的输出信号进行采集转换；所述ADC信号采集电路与仪表放大器模块的输出端连接，所述ADC信号采集电路采用的模数转换芯片，支持8路信号的采集，对仪表放大器的输出电压进行转换。

进一步的，所述调压电路利用滑动变阻器对电压进行分压，然后取出合适的电压大小输入到仪表放大器模块输入端作为一个钳位电压，用来固定模块的输出电压范围。

进一步的，所述仪表放大器模块采取对称设计，用来抑制共模信号的干扰，抑制电压失调。

进一步的，开关二极管对输出信号进行保护，给输出电压规定一个范围，防止前级电路发生损坏，从而导致输出电压过大损坏下级电路，加入开关二极管稳压之后，当输出电压过大时，会使二极管导通，从而不会给下级电路电压信号。

进一步的，仪表放大器需要正负极供电，仪表放大器模块内部采用使电压反转的芯片来提供负电压，固定电压三端集成稳压器输出的5V电压信号接到使电压反转的芯片电路的输入端，通过使电压反转的芯片将电压进行极性转换使仪表放大器模块输出电压等于使电压反转的芯片输入端电压。

进一步的，在接入恒流源之前，电路通过线性稳压电源78L05芯片电路提供5V的供电电压，恒流源电路设计采用的芯片为LM134，根据芯片特性手册可知，该芯片产生的电流与温度有关，所以在对电流源的设计时，需设计***电路用来消除温度的影响，采用一个电阻外加一个二极管的方式来实现，根据二极管的温度系数计算可以使二极管1N457与LM134温度漂移相互抵消。此外，该设计选用的压力传感器MPX5999D在0～85℃范围内自带温度补偿功能。因此，两者共同消除了温度对压力信号的影响。

进一步的，仪表放大器模块和ADC信号采集电路之间是分板设计，集成电路的设计以及对外部环境都会形成一定的干扰信号；仪表放大器模块中在其信号输入的部分连接了低通滤波电路，所述低通滤波电路采用二阶RC低通滤波电路，二阶RC低通滤波电路是使输入的高频信号进行衰减，从而保证低频信号能够稳定的通过。

本实用新型的有益效果：

(1)针对与压力传感器温度特性，对电路的供电以及电路温漂抑制进行了设计，可在电路中有效的抑制温度引起的测量误差，且相比于软件补偿，硬件电路温度补偿更为便利且可实时补偿。

(2)针对于更好的保障压力传感器的信号的有效性，设计采用了三运放组成的仪表放大器进行信号的放大，即为差动放大电路，具有极高的共模抑制比，针对可能产生的射频干扰信号，再放大电路部分就进行了抑制设计，并在输入端加入了可变电阻的方式，可完成对放大电路倍数的控制，有效解决了普通调理放大电路输出精度低、易受外界干扰以及转换增益小的问题，在输出端加入保护措施，防止输出异常而影响下级电路使用。

(3)为保证单片机能够采集到精准的压力信号，设计采用了12位高精度的AD7606采样芯片，能耗低且可完成对误差的纠正，无需外部调整。设计中采用其内部基准电压，无需再外加基准电压电路，保证电路板的集成化，小型化。并考虑外界干扰以及混叠现象，采用二阶RC电路对信号进行高频滤波，在保证工作精度要求的同时也有效的控制了模块成本。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本申请的整个调理电路设计的流程框图；

图2为本申请的电源供电部分电路设计原理图；

图3为本申请的电路内部的一个电压取反电路原理图；

图4为本申请的三运放组成的仪表放大器模块的电路设计原理图；

图5为本申请的A/D模数转换电路图；

图6为本申请的8路二阶RC滤波电路图；

图7为本申请的调理电路为焊接PCB板示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在一个具体实施例中，在对压阻式压力传感器信号采集模块进行设计时，首先是要对模块所使用的传感器等芯片进行选型，在对传感器芯片选型结束之后，需要设计出其驱动电路以及信号转换电路，如附图1所示，主要设计的部分在于恒流源供电与仪表放大器对传感器信号有效放大的设计。

供电电路就是模块的电源输入电路，输入的电源信号经过抗干扰处理之后产生电路模块所需要的各种电源信号，将处理之后的电源信号与传感器转换的电压信号通过仪表放大器进一步处理得到电压信号，再通过AD模数转换模块传递给单片机处理并最后在上位机上显示实时的压力曲线，下面对该模块的工作方式进行详细叙述。

在保证总供电电源正常的情况下，12V电源输入到电源转换模块，通过78L05对输入的电压信号进行转压，输出5V电压，相比于一般的恒压源直接供电，很难消除电路的温度影响，故本设计将78L05的输出端与恒流源电路连接，通过LM134芯片处理，再通过其***电路两个电阻加一个二极管构成温度补偿电路设计，通过带入二极管的温度系数(-2.5mV/℃)计算分析，当电路满足下式时，表示LM134与其***电路的温漂相抵消，可参考附图2，图2电路由两部分组成，分别是总5V电源输出电路与传感器电流源供电电路。

其中I₁为流过R₁₁的电流大小近似表示为流过二极管的电流，I₂表示流过R₁₂的电流，当满足下式时再加上所选的传感器芯片可以自带一定范围内的温度补偿，两者共同消除了温度对压力信号的影响。

除此之外供电部分由于运放需要负极性电源供电，故需要把78L05输出的5V电压信号接到芯片ICL7660电路的输入端，通过ICL7660可以将电压进行极性转换使VOUT＝-VIN，如附图3所示，其中***的电解电容E₁、E₂为芯片的外接储能电容，C₉、C₁₀为滤波电容。

上述通过LM314输出恒定电流信号给传感器供电，进一步，传感器通过测量气压所产生的信号传递到仪表放大器电路模块，仪表放大器为差分输入，其中一个负输入端口(IN1)接一个滑动变阻器再接5v电源，从而给端口输入一个可调的钳位电压，从而控制整个模块的输出范围，放大器另一端(IN2)接传感器信号输入，在两个端口先接入低通滤波电路设计，滤除射频干扰信号，整个放大电路采取对称设计，即内部的电阻R₃＝R₇、R₄＝R₆、R₂＝R₈，R₉＝R₁₀，C₁＝C₃，R₀用来调节仪表放大器的放大倍数，C₂的作用是用来降低两个低通滤波截止频率的匹配性要求，其取值大小约为C₁的10倍，其输出电压计算以及差分带宽与共模带宽计算如下所示，模块两个输入端的运放先进行基础性放大，且使整个仪表放大电路的输入阻抗趋于无穷大，因此相比于普通的运放放大电路，本设计采用的仪表放大电路具有高输入阻抗，高共模抑制比等优良特点，且还对电路进行了射频干扰抑制，提高了输出信号的精确与稳定，两个初级运放放大之后再输入到后端的高增益放大器中进行精确放大，最后输出接入MMBD7000，MMBD7000上下由两个二极管组成，当输出电压过大时，会使二极管导通进而防止输出电压过大损坏下级电路。下式中Vout₁，Vout₂，Vin₁，Vin₂，Vout分别表示为附图1所示的U₁，U₂的输出电压、输入电压以及整个仪表放大器的输出电压，D₁表示差分带宽，D₂表示共模带宽，可参考附图2。

进一步，在对放大器输出之后，信号接入到一个二阶滤波电路当中，由于集成电路的设计以及对外部环境都会形成一定的干扰信号，其输出信息也很易受到噪音影响，所以本设计中在其信号输入的部分进行了二阶RC低通滤波设计，从而保证低频信号能够稳定的通过，如附图4所示，对称设计，即上下部分的电容电阻取值大小相同。为与ADC采样相对于共涉及8路输入输出，如附图6所示，与模数转换电路对应的输入端，分别再八个输入口在进行一次高频滤波处理，然后通往ADC模块。

再一步，对滤波后的信号输入到ADC7606模块中进行模数转换，最后计算输出到单片机进行下一步处理显示。如附图5所示，对传感器信号放大之后，由仪表传感器的输出口接向AD7606精选模数转换，可同时支持8路传感器信号的输入转换。输入输出计算如下所示。

其中式中Vout表示仪表放大器输出的电压信号，U_ADC表示ADC的参考电压，位数为N，测量量程为D₁。

如图7所示，为调理电路的打板示意图，其中为正反两面部件，为集成化小型化涉及便于封装，本实用新型将此电路单独打板，模数转换电路板部分外接处理。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (9)

1.一种压阻式压力传感器的调理电路，其特征在于，包括仪表放大器模块、供电电路和ADC信号采集电路；

所述仪表放大器模块采用三运放设计，前级两个运放电路是对信号进行去干扰与初步放大，后级运放电路在对其进行高增益放大；

所述仪表放大器模块包括调压电路、仪表放大器、滑动变阻器、低通滤波电路和开关二极管，所述仪表放大器的前级两个运放电路的一个输入端一脚接传感器芯片的输出信号，所述仪表放大器的前级两个运放电路的另一个输入端连接一个调压电路，所述仪表放大器的前级两个运放电路的输出端与仪表放大器的后级运放电路的两个输入端连接，所述仪表放大器为差分输入，所述仪表放大器的前级两个运放电路的两个输入端接入低通滤波电路，所述仪表放大器的后级运放电路在输出端连接一个开关二极管。

2.根据权利要求1所述的一种压阻式压力传感器的调理电路，其特征在于，所述供电电路是仪表放大器模块的电源输入电路，输入的电源信号经过抗干扰处理之后产生仪表放大器模块所需要的各种电源信号；

所述供电电路包括电源转换模块，12V电源输入到电源转换模块，通过固定电压三端集成稳压器对输入的电压信号进行转压，输出5V电压，所述电源转换模块的输出端与恒流源电路连接，所述恒流源电路的***电路连接两个电阻加一个二极管构成温度补偿电路，一个电阻和一个二极管与另一个电阻并联。

3.根据权利要求1所述的一种压阻式压力传感器的调理电路，其特征在于，所述ADC信号采集电路是用来对压力传感器模块的输出信号进行采集转换；所述ADC信号采集电路与仪表放大器模块的输出端连接，所述ADC信号采集电路采用的模数转换芯片，支持8路信号的采集，对仪表放大器的输出电压进行转换。

4.根据权利要求1所述的一种压阻式压力传感器的调理电路，其特征在于，所述调压电路利用滑动变阻器对电压进行分压，然后取出合适的电压大小输入到仪表放大器模块输入端作为一个钳位电压，用来固定模块的输出电压范围。

5.根据权利要求1所述的一种压阻式压力传感器的调理电路，其特征在于，所述仪表放大器模块采取对称设计，用来抑制共模信号的干扰，抑制电压失调。

6.根据权利要求1所述的一种压阻式压力传感器的调理电路，其特征在于，开关二极管对输出信号进行保护，给输出电压规定一个范围。

7.根据权利要求1所述的一种压阻式压力传感器的调理电路，其特征在于，仪表放大器需要正负极供电，仪表放大器模块内部采用使电压反转的芯片来提供负电压，固定电压三端集成稳压器输出的5V电压信号接到使电压反转的芯片电路的输入端，通过使电压反转的芯片将电压进行极性转换使VOUT＝-VIN。

8.根据权利要求1所述的一种压阻式压力传感器的调理电路，其特征在于，所述压阻式压力传感器的内部包括惠斯通电桥，当传感器采用恒流源给传感器供电。

9.根据权利要求1所述的一种压阻式压力传感器的调理电路，其特征在于，仪表放大器模块和ADC信号采集电路之间是分板，所述低通滤波电路采用二阶RC低通滤波电路，二阶RC低通滤波电路是使输入的高频信号进行衰减。

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