使用MAX11254模数转换器进行精密压力传感器测量

本应用笔记讨论了MAX11254在压力传感器应用中的卓越性能，这要归功于其吸引人的特性，包括多个差分输入通道、低噪声、高内部可编程增益放大器和低功耗。

介绍

压力传感器测量施加在单位区域（例如气体、液体或床垫等特定平台上的力体）的力。压力传感器充当传感器，并产生与其所承受的力相对应的电压电信号。该输出电压通常在毫伏范围内非常低。为了捕获这种低压信号，必须使用非常灵敏和精确的器件，如MAX11254模数转换器（ADC）。

MAX11254 ADC基本特性

MAX11254为6通道、24位Δ-Σ型ADC，性能出色，工作模式下仅消耗2.2mA电流，休眠模式下功耗仅为1μA。高达 64ksps 的采样率可实现精确的直流测量。此外，内部可编程增益差分放大器 （PGA） 噪声仅为 6.2nV/√Hz，可编程范围为 1 至 128，这使其成为测量输出电压信号极低的压力传感器的理想器件。

MAX11254的输入参考噪声在50sps （0.81μVRMS）的低采样速率下比在12.8ksps （10.8μVRMS）的高采样速率下至少低13倍。表1给出了MAX11254数据资料中MAX11254在单周期转换模式下的噪声数据。

 

	PGA: 1		2		4		8		16		32		64		128
数据速率	LP	LN	LP	LN	LP	LN	LP	LN	LP	LN	LP	LN	LP	LN	LP	LN
50	0.81	0.58	0.38	0.27	0.18	0.13	0.1	0.07	0.09	0.07	0.08	0.06	0.08	0.06	0.08	0.06
62.5	0.88	0.63	0.48	0.34	0.21	0.15	0.12	0.09	0.09	0.07	0.08	0.06	0.08	0.05	0.08	0.05
100	1.18	0.84	0.61	0.44	0.3	0.21	0.17	0.12	0.12	0.08	0.09	0.07	0.09	0.07	0.1	0.07
200	1.38	0.99	0.68	0.49	0.35	0.25	0.21	0.15	0.15	0.1	0.12	0.08	0.11	0.08	0.11	0.08
400	1.63	1.16	0.85	0.61	0.45	0.32	0.27	0.19	0.19	0.14	0.16	0.12	0.15	0.11	0.16	0.11
800	2.12	1.51	1.1	0.79	0.61	0.43	0.36	0.26	0.27	0.2	0.24	0.17	0.23	0.16	0.23	0.16
1,000	2.38	1.7	1.25	0.89	0.69	0.49	0.41	0.29	0.31	0.22	0.27	0.19	0.26	0.18	0.26	0.19
1600	3.21	2.29	1.67	1.19	0.89	0.64	0.56	0.4	0.41	0.29	0.36	0.26	0.35	0.25	0.49	0.35
3200	4.41	3.15	2.28	1.63	1.25	0.89	0.78	0.55	0.58	0.41	0.51	0.36	0.49	0.35	0.59	0.42
4000	5.18	3.7	2.68	1.91	1.48	1.06	0.91	0.65	0.69	0.49	0.6	0.43	0.58	0.41	0.83	0.59
6400	7.34	5.24	3.83	2.73	2.08	1.48	1.29	0.92	0.98	0.7	0.86	0.61	0.81	0.58	1.16	0.83
12800	10.8	7.74	5.59	3.99	3.01	2.15	1.85	1.32	1.37	0.98	1.23	0.88	1.17	0.83	1.16	0.83

 

在表1中，LP为低功耗模式，LN为低噪声模式。在LP模式下，该器件的功耗比低噪声模式下低约1mA。然而，在LN模式下，该器件针对低噪声性能进行了优化，其折合到输入端的噪声电压通常比低功耗模式下低40%。

根据表1中的噪声数据，采样速率越低，折合到输入端的噪声越低，这意味着信噪比（SNR）和信噪比加失真（SINAD）值越高。因此，根据以下等式，在低采样率下，有效位数（ENOB）更高：

评估了MAX11254的动态性能。图1至图4显示了采样率高达64ksps的单周期和连续模式的ENOB值。

图1.MAX11254 ENOB值在单周期转换模式下为直接增益范围为1至128，采样速率高达1ksps。

图2.MAX11254 ENOB值在单周期转换模式下为直接增益范围为1至128，采样速率高达12.8ksps。

图3.MAX11254 ENOB在连续模式下的直接增益范围为1至128，采样速率高达1ksps。

图 4.MAX11254 ENOB值在连续模式下直接和增益范围为1至128，采样速率高达64ksps。

如图1至图4所示的测量数据证实，在最低采样速率下，22.5位的ENOB最高。基于这些测量数据，为了更准确地捕获压力传感器的低输出电压，最好以较低的采样率进行。原因是噪声相对于频率主要是平坦的。因此，由于带宽较窄，降低采样率会成比例地降低噪声。因此，ENOB在较低的采样率下更高。此外，由于PGA的噪声低于ADC调制器的噪声，因此使用PGA通常比旁路或直接模式产生更高的ENOB。

图5所示为MAX11254 ADC，MPXV10GC6U配置为压力传感器，用于测量传感器的输出电压，对应于施加的输入压力。

图5.MAX11254 ADC压力传感器连接。

在 0 PSI 时，压力传感器的输出电压在精密电压计（如安捷伦 34401A）上指示 19.998mV。MAX11254测得的电压为20.034mV。当压力增加到1.35 PSI时，MAX11254从传感器捕获的相应输出电压为53.103mV。图6和图7分别给出了MAX11254EVKIT软件上测得的电压与压力的关系以及捕获的数据。

图6.压力传感器的传递函数。

图7.MAX11254输出电压为0 PSI。

图8.MAX11254测量MPXV10CC6U传感器的输出电压精度与压力的关系。

结论

压力传感器通常提供非常低的输出电压（以毫伏为单位），这就需要具有宽动态增益范围的低噪声和高精度ADC来精确测量电压。MAX11254 ADC具有极低的密度噪声，仅为6.2nV/√Hz PGA，增益范围为1倍至128倍，因此设计满足所有这些严格要求。该内部PGA还提供输入信号隔离。因此，无需其他外部放大器即可实现出色的性能。此外，MAX11254内置时序控制器和6路差分输入，支持扫描选定的模拟通道、可编程转换延迟和数学运算。这使其成为自动压力传感器监测的理想设备。

审核编辑：郭婷