使用烧毁电流源进行惠斯通电桥检测
许多最近的高性能 ADC 如 AD7190 包含内置的所谓烧毁电流源，据称可用于检测传感器中的开路。然而，大多数供应商没有提供关于如何做到这一点的简单解释。
在这篇博文中，我将试图解释这些电流源如何对实际应用有用。对于此示例，我们假设 ADC 有一个理想化的差分通道并连接到简单的惠斯通电桥应变片：
什么是烧毁电流源？
大多数 ADC 包含两个烧毁电流源：
- 一个从模拟电源电压汲取并流入正输入
- 一个从负输入汲取并流入模拟地
这些烧毁电流源通常有非常低且固定的电流值 - 对于 AD7190，为 $500,nA$。
将其应用于惠斯通电桥，我们得到：
没有任何电流源的平衡惠斯通电桥形成两个相等的分压器，分压比为 2：正和负 ADC 输入都偏置在 $\frac{1}{2} V_{DDA} = 2.5,V$（其中 $V_{DDA}$ 是 ADC 的模拟电源电压和电桥激励电压。虽然对于许多实际应用它们可能不相同，但为简单起见，在此示例中我们假设它们相等）。我们也可以等价地说：流过 R1 和 R2 的电流分别在 R3 和 R4 上产生 $2.5,V$ 的电压降。
我们可以使用简化模型来定性理解正在发生的事情：
通过忽略流过 R1 和 R4 的任何电流，流过 R2 和 R3 的电流分别等于 I1 和 I2。通过使用欧姆定律可以表示为 $U = I{\cdot}R$，我们可以计算：
由于我们假设没有电流流过 R1 和 R4 并且 IN(+) 和 IN(-) 节点偏置在 $2.5,V$，添加烧毁电流源产生 $V_{IN(+)} = 2.5,V + 175,{\mu}\text{V}$ 和 $V_{IN(-)} = 2.5,V - 175,{\mu}\text{V}$，产生差值 $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = 2\cdot175 {\mu}\text{V}$
现在我们需要考虑流过 R1 和 R4 的电流。虽然其数学超出了本文的范围，但我们可以轻松使用 LTSpice 仿真（下载仿真文件）来查看数字。运行此仿真显示 $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = 175,{\mu}\text{V}$。只要 $I_{R1,R4} \gg I_{Burnout}$，这与电源电压无关。如果 $V_{DDA} \gt 1,\text{V}$，可以假设此条件适用于任何实际设置
因此我们可以得出结论，如果连接了平衡惠斯通电桥并启用了烧毁电流源：$V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = \frac{I_{Burnout} \cdot (R_3 + R_2)}{2}$ 如果 $R_3 \approxeq R_2$，这可以简化为：$V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = I_{Burnout} \cdot R_{2,3}$
开路检测
现在我们假设完全没有连接传感器，即 R1 到 R4 假设为无限电阻。
理想电流源在尝试通过无限欧姆电阻推动恒定电流时会产生无限高的电压。ADC 中的烧毁电流源不表现出此特性：它们可能产生的最大电压为 $V_{DDA}$，而最小电压为 $0,\text{V}$。虽然在实践中这些值通常不会达到轨，但对于大多数实际配置我们可以忽略此事实。
这意味着开路场景意味着 $V_{IN(+)} = V_{DDA}$ 和 $V_{IN(-)} = 0,\text{V}$，因此 $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = V_{DDA} - 0,\text{V} = V_{DDA}$
这意味着 ADC 将显示最大可能值（例如 24 位 ADC 的 0xFFFFFF）。
当禁用烧毁电流源时，输入端子上的电压未定义，取决于 PCB 上和 ADC 输入级上存在的泄漏电流。
基于此信息，我们可以得出结论，可以通过激活烧毁电流源并检查 ADC 是否显示最大可能数字输出值来检测开路条件。在大多数情况下，非常接近最大值的值也可以被视为开路条件。
使用烧毁电流源定量估算电桥电阻
对于许多电路，获得所用惠斯通电桥实际电阻的估计很有用 - 例如，这可能有助于自动配置激励电压。
通过使用烧毁电流源值和我们上面推导的方程 $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = I_{Burnout} * R_{2,3}$，我们可以容易地看到烧毁电流引起的差分电压取决于电桥的电阻 $R_2$ 和 $R_3$。
通常烧毁电流源有宽容差范围，并且必须预期在整个工作范围内由于制造容差而变化高达 20%。对于开路检测，只要 $I_{burnout} \gg I_{leakage}$，确切电流不重要。然而，两个电流源之间的电流失配在观察到的电压降中引入显著误差：$E = \frac{|I_a - I_b|}{}$ 对于定量测量，需要考虑这些容差 - 没有单独校准，这意味着我们无法确定电桥的确切电阻。然而，仍然可以容易地将电桥电阻分类为几类之一，例如电阻为以下值的应变片：
- $120 \Omega$
- $350 \Omega$
- $1200 \Omega$
这可以使用以下算法完成：
for i in 1..n- 禁用烧毁电流源
- 测量 ADC 电压 $V_{a,i}$
- 启用烧毁电流源
- 测量 ADC 电压 $V_{b,i}$
- 计算烧毁差值 ${\Delta}V_i = V_{b,i},-,V_{a,i}$
- 计算由于烧毁导致的平均额外电压降：$\overline{{\Delta}V},=,\sum^{n}_{i=0}{\Delta}V_i$
注意，为了考虑可能不平衡的电桥，我们必须只解释启用烧毁电流的 ADC 值与禁用烧毁电流的 ADC 值之间的差异。
执行平均是为了尽可能消除测量期间传感器值变化（转化为至少一个电桥元件的电阻变化）和噪声。较大的 $n$ 值会导致结果值中的误差较低。对于快速变化的输入信号，建议使用高采样率以最小化 a 和 b 测量之间的时间。对于多通道 ADC，也建议一次只测量一个通道并因此禁用零延迟模式。
然后我们可以使用以下公式计算观察到的电阻
$$R_{\text{observed}}\,=\,\frac{\overline{{\Delta}V}}{I_{\text{burnout}}}$$例如，如果 $\overline{{\Delta}V} = 165,{\mu}V$ 且 $I_{burnout} = 500,nA$，$R_{observed} = 330,\Omega$。此值足够接近 $350,\Omega$。差异可能由 ADC 误差、烧毁电流偏差和传感器本身的电阻偏差（由静态制造容差和动态电阻变化引起）造成。
注意包括 AD7190 系列在内的许多 ADC 仅指定烧毁电流的标称值，没有保证容差。