设计目标

设计 说明

某些 MSP430™微控制器 (MCU) 包含可配置的集成信号链组件，例如运算放大器、DAC 和可编程增益级。这些组件组成了一个称为智能模拟组合 (SAC) 的外设。有关 SAC 的类型以及如何利用其可配置模拟信号链功能的信息，请访问 MSP430 MCU 智能模拟组合培训。要开始设计，请下载应变计桥式放大器电路设计文件。

应变计是一种传感器，其电阻随作用力而变化。电阻变化与传感器因作用力而产生的应变成正比。此压力感应电路使用置于桥配置中的应变计来测量电阻变化。该设计利用了 MSP430FR2355 中的所有四个内置运算放大器模块 (SAC)。两个 SAC_L3 外设配置为通用模式，以放大由应变计的电阻变化产生的差分信号，而另外两个配置为 DAC 模式，以提供基准电压 (Vref) 和激励电压 (Vex)。通过改变 R₁₀，会在惠斯通电桥的输出端产生小的差分电压，该电压将馈送到两个 SAC 运算放大器所构成的仪表放大器输入端。仪表放大器的线性度基于 MSP430 SAC 运算放大器的输入共模和输出摆幅范围，这可以在本文末尾的规格表中找到。二级运算放大器的输出可以直接通过板载 ADC 采样或通过板载比较器进行监测，以在 MCU 内部进行进一步处理。

设计说明

• 惠斯通电桥的电阻 R₅、R₆ 和 R₇ 必须与应变计的标称电阻匹配，并且必须相等，以避免产生电桥失调电压。
• 必须使用低容差电阻，以最大限度地减小因电桥电阻而产生的失调电压和增益误差。
• V_ex 用来设置电桥激励电压和共模电压 V_cm。
• V_ref 将基于 MSP430 SAC 仪表放大器的输出电压偏置为中位电压，以允许在正方向和负方向进行差分测量。
• R₁₁ 用来设置仪表放大器电路的增益。
• R₈ 和 R₉ 用来设置仪表放大器的共模电压并限制流经电桥的电流。此电流决定电桥产生的差分信号。但是，由于电桥电阻和应变计的自热效应，对于流经电桥的电流会有一些限制。
• 确保 R₁ = R₃、R₂ = R₄ 且 R₂/R₁ 和 R₄/R₃ 的比值一致，以将 V_ref 增益设置为 1V/V 并使仪表放大器保持高 DC CMRR。
• 使用高阻值电阻可能会减小放大器的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。
• 如果该解决方案是使用 MSP430FR2311 实现的，则该仪表放大器将需要包含一个 SAC_L1 运算放大器和一个作为跨阻放大器 (TIA) 的运算放大器。激励电压和基准电压（即 Vex 和 Vref ）需要从外部提供（即分压器）。
• 应变计桥式放大器电路设计文件包含如何正确初始化 SAC 外设的代码示例。

设计步骤

1. 选择 R₅、R₆ 和 R₇ 以匹配应变计的标称电阻
${\mathrm{R}}_{\mathrm{gauge}}={\mathrm{R}}_5={\mathrm{R}}_6={\mathrm{R}}_7=120\mathrm{\Omega }$
2. 选择 R₉ 以将仪表放大器的共模电压设置为 1.34V
$$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}=\frac{\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{bridge}}}{2}+{\mathrm{R}}_9}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{bridge}}+{\mathrm{R}}_8+{\mathrm{R}}_9}\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{ex}} \\ \mathrm{Where} {\mathrm{R}}_{\mathrm{bridge}} = \mathrm{total} \mathrm{resistance} \mathrm{of} \mathrm{the} \mathrm{bridge} \\ \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_8 = 0\Omega \mathrm{to} \mathrm{allow} \mathrm{maximum} \mathrm{current} \mathrm{through} \mathrm{the} \mathrm{bridge} \\ {\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}=\frac{\frac{120\mathrm{\Omega }\times 4}{2}+{\mathrm{R}}_9}{\left(120\mathrm{\Omega }\times 4\right)+0\mathrm{\Omega }+{\mathrm{R}}_9}\times 1.65\mathrm{V}=1.34\mathrm{V} \\ \frac{240+{\mathrm{R}}_9}{480+0\mathrm{\Omega }+{\mathrm{R}}_9}=\frac{1.34\mathrm{V}}{1.65\mathrm{V}}=0.812 \\ 0.188{\mathrm{R}}_9=149.82\to {\mathrm{R}}_9=\frac{149.82}{0.188}=797.42\mathrm{\Omega }\to {\mathrm{R}}_9=806\Omega \left(\mathrm{Standard}\mathrm{ }\mathrm{value}\right) \end{gathered}$$
3. 计算生成所需输出电压摆幅所需的增益
$\mathrm{G}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iDiff}\_\mathrm{Min}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iDiff}\_\mathrm{Min}}}=\frac{3.2\mathrm{V}-0.1\mathrm{V}}{\mathrm{0.00222}\mathrm{V}-(-\mathrm{0.00227}\mathrm{V})}=690.42\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
4. 选择 R₁、R₂、R₃ 和 R₄。要将 V_ref 增益设置为 1V/V 并避免降低仪表放大器的 CMRR，R₁ 必须等于 R₃ 且 R₂ 必须等于 R₄。
$\mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_1 = {\mathrm{R}}_3 = 5.1\mathrm{k}\Omega \mathrm{and} {\mathrm{R}}_3 = {\mathrm{R}}_4 = \text{20}\mathrm{k}\Omega (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
5. 计算 R₁₁ 以实现所需的增益
$$\begin{gathered} \mathrm{G}=1+\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}+\frac{2\times {\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_{11}}=690.42\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \\ \mathrm{G}=1+\frac{20\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{\text{5.1}\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}+\frac{2\times {\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_{11}}=690.42\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}\to 4.92+\frac{40\mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_{11}}=690.42\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}\to \frac{40\mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_{11}}=685.5\to {\mathrm{R}}_{11}=\frac{40\mathrm{k\Omega }}{685.5}=58.35\mathrm{\Omega }\to {\mathrm{R}}_{11}=58.3\mathrm{\Omega }\mathrm{ }\left(\mathrm{Standard}\mathrm{ }\mathrm{value}\right) \end{gathered}$$
6. 计算流经电桥的电流
$$\begin{gathered} {\mathrm{I}}_{\mathrm{bridge}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ex}}}{{\mathrm{R}}_8+{\mathrm{R}}_9+{\mathrm{R}}_{\mathrm{bridge}}}=\frac{1.65\mathrm{V}}{0\mathrm{\Omega }+806\Omega +120\mathrm{\Omega }\times 4} \\ {\mathrm{I}}_{\mathrm{bridge}}=\frac{1.65\mathrm{V}}{806\Omega +480\mathrm{\Omega }}\to {\mathrm{I}}_{\mathrm{bridge}}=1.28\mathrm{mA} \end{gathered}$$

设计仿真

直流仿真结果

目标 应用

• 压力变送器
• 称重计

参考文献

1. MSP430 应变计桥式放大器电路代码示例和 SPICE 仿真文件
2. 《模拟工程师电路设计指导手册》
3. MSP430FR2311 TINA-TI Spice 模型
4. MSP430 MCU 智能模拟组合培训

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器

MSP430 相关电路