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如何补偿压力传感器跨度和偏移的方法?

时间:2019-03-01   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
硅基压力传感器的主要消费者称为MEMS(微机电传感器),它仍然是汽车市场。1999年,传感器占汽车电子vr赛车106.7亿美元的12%(来源:战略分析)。随着传感器开发扩展现有应用并实现新的汽车功能,这一趋势将持续下去。在汽车市场推出的新型信号处理和信号转换架构中,特别是MAX1460可以利用现有的基于MEMS的传感器实现更高水平的传感器性能。
 
MEMS压力传感器的特性
今天为汽车市场生产的大多数MEMS压力传感器包括一个采用体蚀刻微机械加工vr赛车在单个单片芯片上制造的四电阻惠斯通电桥。集成在传感器芯片中的压阻元件沿着压力传感膜片的周边位于适合应变测量的点处(见图1)。这些传感器价格便宜,因为它们作为集成电路被处理在可能包含几百到几千个传感元件的晶片上。

图1.典型的硅压力传感器具有右侧所示的等效电路。
 
在桥式结构中,对角支腿的阻力随着压力引起的机械变形而在同一方向上同等地变化。当一组对角相对的腿的阻力在压力下增加时,另一组的阻力减小,反之亦然。在电桥的两个相对的拐角处施加电压或电流形式的电桥激励。在图1中显示为+ Exc和-Exc,这些端子通常称为“激励输入”或“桥驱动输入”。
 
电阻的任何变化(即压力)都被检测为桥的另外两个角上的电压差(图1中的+ Vout和-Vout),这通常称为“桥输出”或“信号输出”。 “ 不幸的是,对于硅压阻式传感器,这种电压差非常小(几十毫伏)。更重要的是,未补偿传感器的全量程输出(FSO)可以表现出强烈的非线性温度依赖性,大的初始偏移(高达FSO或更高的100%),以及偏移随温度的强烈漂移。FSO定义为对应于最大和最小施加压力的传感器输出的差异。因此,传感器必须在使用前进行补偿。
 
采用集成电路进行补偿的传感器已存在多年。通常,该补偿基于模拟架构(这里称为模拟传感器信号处理或ASSP)。用于数字传感器信号处理(DSSP)的精细几何CMOS和高性能计算引擎的出现最近使这种架构可用于压力传感器。因此,用于调节和转换压力传感器输出的下一代IC将采用DSSP架构。
 
模拟传感器信号处理(ASSP)
集成ASSP的第一代IC通常只包括差分到单端放大器。所有传感器的性能特性都被放大并传递,使传感器制造商承担建立传感器性能的负担。通常,压力传感器信号和温度信号被提供给电子控制单元(ECU),其使用查找表来获得合理的压力估计。
 
这些架构用于发动机管理模块,以处理表示气压气压(BAP)和歧管气压(MAP)的数据。这些设计在模拟域中执行校准和补偿。为了存储传感器特定数据,使用模拟“存储器”组件,例如电位计,分立电阻器或电容器(其中一些与温度相关)和激光调整电阻器。这种方法的主要问题包括:
 
由传感器的非线性引起的补偿精度受到限制
激光修整机和其他自动化设备的高成本
测试和修剪通常需要多个设置
高组件数防止小型化
 
第二代补偿器件也基于ASSP架构,由小功能硅IC实现,其中包含非易失性存储器,如EPROM或EEPROM,以及低分辨率数模转换器(DAC)。为了调整FSO和偏移,这些架构使用DAC将每个存储的数字系数转换为模拟电压,然后再将其应用于模拟放大电路。
 
有两个因素限制了早期设计的性能:使用低分辨率(8位和10位)DAC以及使用连接到信号转换IC的分立温度传感器件。通过引入12位和16位DAC以及将比例温度传感器集成到IC中,第二波架构得到了极大的增强。其中温度信号对于IC本身是局部的一阶温度补偿完全由信号转换IC执行。传感器性能在典型的汽车工作温度范围(-40°C至125°C)内增加了2%或更多,在工业应用中增加了0.1%。
 
数字传感器信号处理(DSSP)
第三代DSSP架构风格的特点是全数字补偿和纠错方案。非常精细的几何,混合信号CMOS ICvr赛车使得复杂的数字信号处理器(DSP)成为传感器补偿器IC。DSP专为执行传感器补偿计算而设计,使传感器输出能够实现传感器固有的所有精度。从理论上讲,线性化一阶和二阶温度对全跨度输出(FSO)和偏移的影响可以使整体线性度与温度的关系优于换能器本身。
 
作为背景,请考虑几个关键因素对于使第三波架构成功至关重要:
 
传感器在温度和压力下的可重复性
高分辨率A / D转换(最小16位)
具有16位乘法和加法的计算引擎
数字逻辑和信号转换电路之间的同步操作
所有模拟信号处理子系统的比例运算
高分辨率(最小12位)D / A转换器
功耗低

另外,请考虑有关数字信号处理的这些一般规则:

通过计算无法改善换能器的稳定性,可重复性和滞后性。
计算可能会降低但不会增加信号分辨率。
输出信号精度将低于输入信号分辨率。
 
上述规则和vr赛车要求将应用于温度补偿压力传感器。在补偿之前,其偏移和跨度随温度的变化而变化,可能大于10%(见图2)。在这些曲线中也可以看到指示二阶效应的轻微非线性曲率。补偿这些温度误差需要使用常见的温度线性化方程:
D OUT =增益×(1/2 + G 1 ×T + G 2 ×T²)×(信号+ 0 + 1 ×T + 2 ×T²)+ D OFF(1),其中

D OUT       补偿输出信号
获得           补偿输出范围
G 1            补偿一阶增益 - 温度系数(TC)误差
?                温度(以°C表示)
G 2            补偿二阶增益-TC误差
信号 未补偿传感器信号的数字化表示
of0 补偿换能器元件的偏移
of1             补偿一阶偏移-TC误差
of2             补偿二阶偏移-TC误差
D OFF       零压力输出水平

对该等式的评估需要加法和乘法。虽然从等式中没有明确的明显,但也需要第三算术运算(否定)。为了保持最高精度,所有算术运算都应该以输入信号的分辨率执行,在这种情况下是16位。

图2.轻微曲率表示此压阻式传感器输出中的二阶效应。
 
新型器件MAX1460现在可用于执行通过使用等式1补偿压力传感器所需的算术运算。因为该器件可以对数字化的压力传感器信号执行这些算术运算(使用其板载处理器)有了它的板载ADC,它被称为智能ADC?参见图3。


图3.该图结合了MAX1460信号调理器的框图和应用原理图。