（检测技术与自动化装置专业论文）压阻式压力传感器温度补偿的研究与实现.pdf

耍：! 三些查兰罂：三兰篁堡兰 塑薹 摘要 压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器，具有灵敏 度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型 化，便于批量生产与使用方便等特点。因此，它是一种发展迅速，应用广泛的新 型传感器。压阻式压力传感器的一个主要问题是温度补偿问题，由于温度会对传 感器的灵敏度及测量精度产生很大的影响，在相当程度上限制了压阻式压力传感 器的使用，对传感器进行温度补偿显的尤为重要。 论文中介绍了国内外研究现状，分析了多种补偿方法，指出其利弊，总结补 偿思想，同时介绍了现代信号调理技术的发展。 应用信号调理芯片是现代常用的一种补偿方法。本论文应用智能化的模拟一 数字混合信号调理技术，采用m a x l 4 5 7 ，开发出了一整套温度补偿系统，经调理 后的传感器综合误差不超过0 1 。m a x l 4 5 7 是一种专用传感器信号调理芯片。此 芯片集成化程度较高，可以补偿硅压阻式压力传感器的温度误差和非线性误差。 论文首先介绍了m a x l 4 5 7 芯片的结构、及相关数学公式推倒，分析了芯片的设计 思路，在结合压力传感器自身特点的基础上，深入分析了补偿思想，分析了能够 实现高精度补偿的原因，设计了单路补偿模块，并成功地开发出了多路补偿系统， 论文中介绍了相关的硬件电路及软件的核心代码。 关键字：压阻式压力传感器，温度补偿，信号调理， i i a x l 4 5 7 西北t 业犬学硕 j 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p i e z o r e s i s t i v e p r e s s u r es e n s o r , b em a d eo fs e m i c o n d u c t o rs i l i c o nb a s e do n p i e z o r e s i s t i v ep h e n o m e n o n ，h a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c so f h i g hs e n s i t i v i t y , q u i c kr e s p o n s e ， h i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，g o o ds t a b i l i t y , w i d ew o r k i n gt e m p e r a t u r er a n g ea n db e i n g m i n i a t u r i z e da n dp r o d u c e de a s i l y i ti san e wt y p es e n s o rd e v e l o p e dq u i c k l ya n du s e d w i d e l y p i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r e s e n s o r a l w a y sf a c e s a l l i m p o r t a n tp r o b l e m o f t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nw h i c hr e s t r i c t s i t s a p p l i c a t i o n s b e c a u s eo ft e m p e r a t u r e i n f l u e n c eo i ls e n s o r s s e n s i t i v i t y a n dm e a s u r e m e n t p r e c i s i o n t h e r e f o r e ，i ti sa s i g n i f i c a n tp r o j e c tt or e s e a r c ht e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nf o rp i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r e s e n s o r f i r s to fa l l ，s t a t eo fa r t so nt h i st o p i ci sr e v i e w e d s o m ec o m p e n s a t i o nm e t h o d sa r e a n a l y z e da n dt h e i rp r i n c i p l e sa r et h e ns u m m a r i z e d t h et e c h n o l o g ya b o u tm o d e m s i g n a l c o n d i t i o n i n gw h i c h w i l lb eu s e di nt h i sp a p e ri sa l s oi n t r o d u c e d s i g n a lc o n d i t i o n i n gc h i pi s i nc o m m o nu s e df o rc o m p e n s a t i o ni nr e c e n ty e a r s i n o u rr e s e a r c h ，as e to fs i l i c o np i e z o r e s i s t i v es e n s o rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i n gs y s t e m b a s e do nm a x l 4 5 7i sp r o p o s e d t h et o t a le r r o ri sl i m i t e dt o0 i f sa f t e rb e i n g c a l i b r a t e d m a x l 4 5 7i sas p e c i a ls e n s o rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc h i pw i t hh i g hi n t e g r a t i o n i ti s m a i n l y u s e dt o c o m p e n s a t et e m p e r a t u r e s h i f ta n d n o n - l i n e a r i t y e r r o ro f p i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o r i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r eo fm a x l 4 5 7i si n t r o d u c e d a n dr e l e v a n tm a t hf o r m u l ai sd e d u c e df i r s t l y t h e n ，t h ei d e ao fc o m p e n s a t i o nd e s i g ni s a n a l y z e dd e e p l yb a s e do nt h ec h a r a c t e ro fp r e s s u r es e n s o r f i n a l l y ，as i n g l e - c h a n n e l c o m p e n s a t em o d u l ei sd e s i g n e d ，t h u sam u l t i - c h a n n e ls e n s o rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i n g s y s t e mi sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h ed e s i g ns c h e m e ，c i r c u i ta n ds o f t w a r ec o d ea r e i n 订o d u c e d k e yw o r d s ：p i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o r ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，s i g n a l c o n d i t i o n i n g ，m a x t 4 5 7 i i 墼i ! 三些查耋竺：! 兰丝篁三塑堕 1 1 传感器的发展状况 第一章绪论 在高度发展的现代社会中，科学技术的突飞猛进和生产过程的高度自动化已 成为人所共知的发展趋势，而它们的共同要求是必须建立在有着不断发展与提高 的信息工业基础上，信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。现代 信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理。人们只有从外界获取大量 准确，可靠的信息后，经过一系列的科学分析，处理，加工与判断，进而认识和 掌握自然界与科学技术中的各种现象与其相关的变化规律，并通过相应的系统与 方法加以实现科学实验研究与生产过程的高度自动化。换占之，工业生产过程的 现代化面临的第一个问题是必须采用各种传感器来检测，监视和控制科学实验与 生尚生程的各个静动态参数，使设备与系统以及科学研究工作能正常运行和处于 晟佳状态，从而保证科研工作的成功与生产的高效率，高质量。所咀，进行信息 采集的传感器技术是重要的前期基础工作。此后，才有后期的信息分析，处理， 加工技术问题。 近几十年来快速发展的i c 技术及计算机技术，为传感器的高速发展提供了非 常良好与可靠的科学技术基础，也提出了更高的要求与强有力的鞭策。如果传感 器技术落后，那将是“脑子发达，五官迟钝”，这将大大影响科学技术的高度发展 与生产过程的高度自动化。所阱，世界各国都将传感器技术列为尖端技术。 对传感器普遍认可的定义是能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用 输出信号的器件或装置。简单的说，能把被测非电量信息转换为电信号输出的器 件或装置称为传感器。因此，传感器的定义包含着三层含义：1 ，传感器是一个测 量装置；2 ，在规定的条件下感受外界信息；3 ，按定规律转换成易于传输与处 理的电信息。 传感技术早已渗透到工业生产，军事国防，宇宙探测，海洋丌发，环境保护， 资源调查，医学诊断，生物工程，文物保护，安全防范，家用电器等及其广泛的 领域。因此，从茫茫太空到浩瀚的海洋，从各种复杂工程系统到闩常生活的衣食 住行，几乎每一个领域都离不开各种各样的传感器。可以毫不夸张地说，2 1 世纪 的社会，将是充满传感器的世界。 西北工业大学硕士学位论文绪论 传感技术知识密集程度甚高，边缘学科色彩极浓，涉及的学科与领域十分广 泛，制造技术复杂，工艺难度大，具有品种繁多，应用广泛等特点。 1 2 压阻式压力传感器简介 在我的论文中所研究的是压阻式压力传感器。压阻式压力传感器是利用半导 体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料，也 是力学性能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使硅压阻式压力传感器的迟 滞极小，重复性极好；硅的压阻系数较大，使用温度范围较宽。这类传感器随着 硅集成电路平面工艺的完善而得到高度的发展，现在已经广泛用作高灵敏度，高 精度的微型真空计，绝对压力计，流速计，流量计，声传感器，气动过程控制器 等。它在生物，医疗，航天，海洋工程，原子能等各种尖端科技和工业领域等都 有着广泛的用途。这类传感器具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性 好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。因 此，它是一种发展迅速，应用广泛的新型传感器。 早期的压阻传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器，它的传感 元件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片；2 0 世纪7 0 年代以后，研制出周 边固支的力敏电阻与硅膜片一体化的扩散型压阻传感器，它的传感元件是利用集 成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。它易于批量生产，能够方 便的实现微型化，集成化和智能化，因而它成为受到人们普遍重视并重点开发的 具有代表性的新型传感器。 1 2 1 压阻式压力传感器的原理 硅的压阻效应是1 9 5 4 年由c s s m i t h 首先发现，1 9 5 6 年贝尔实验室研制出硅 力敏电阻，此后压阻传感器开始问世。 压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发 生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。利用半导体材料的压阻效应制成 的传感器称为压阻式传感器。目前使用最多的是单晶硅半导体。详细的公式推倒 及原理在本论文中不作介绍，在相关的教材与资料中大都已作出分析。 由于压力的原因，硅晶体的电阻发生变化，变化的大小与受到的压力大小有 关，同时与材料本身的压阻系数有关。影响压阻系数最主要因素是环境温度和扩 西北工业大学硕士学位论文 绪论 散杂质的表面浓度。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小。表面杂质浓度低时， 压阻系数随温度升高而下降较快，提高表面杂质浓度，压阻系数下降随温度升高 而变慢。 1 3 压阻式压力传感器的特点 压阻式压力传感器的最突出的优点是灵敏度高、尺寸小、横向效应小、滞后 和蠕变小，适于动态测量；其缺点是受温度影响大，重复性较差。下面细化一下。 优点： + 频率响应范围宽，固有频率很高。 + 体积小，可微型化。由于采用了集成电路的工艺方法，因而硅膜片敏感元 件可做得很小。 精度高、灵敏度高。 由于压阻式压力传感器无活动部件，所以它工作可靠、耐震、耐冲击、耐 腐蚀、抗干扰能力强以及可以在恶劣环境下工作的优点。 缺点： + 由于压阻式压力传感器是用半导体材料制作的，受温度影响较大，因此， 在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿。 + 制作工艺复杂。对研制条件要求高而严格，尤其是扩散杂质、烧结、封装 工艺等比其它传感器要复杂的多，因而成本较高。 传感器技术发展的主要趋势：小型化，集成化，智能化。在集成电路部分制 成一些微处理器，使得其具有记忆，思维，判断，处理的能力。 1 4 温度补偿的意义 在对压阻式压力传感器的研究方向中，包括开发耐高温，及用于微机械加工 的压力传感器，还有一个重要的研究方向是温度漂移的补偿，在实际应用当中， 压阻式压力传感器的确面临着温度补偿问题。压阻式压力传感器会受到温度的影 响，导致零点漂移和灵敏度漂移，它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零 位漂移是因为扩散电阻阻值随温度改变而发生变化。扩散电阻的温度系数因薄层 电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数亦小，反之，薄层电 至i ! ：些奎兰堡兰兰堡鲨兰 篁塞 阻增加，温度系数增大。由于工艺上的原因，难于使4 个桥臂电阻温度系数完全 相同，因此，不可避免的要产生零位漂移。所以，适当提高表面杂质浓度，可以 减小温度系数，进而减小零位漂移。但是，过高的杂质浓度会降低传感器的灵敏 度。 压阻式压力传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度改变而引起的。当温 度升高时，压阻系数减小，反之则增大。所以，当温度升高时，传感器灵敏度降 低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随温度变化要小一些，但传感 器的灵敏度同样会降低。因此，对压阻式压力传感器进行温度补偿在实际应用当 中显得相当重要。 1 5 温度补偿的方法及研究现状 在这个领域，有多种多样的补偿方法，根据自身的需要和要求，各有优缺点。 有根据电桥特性，进行补偿的传统方法，现在越来越多的是采用适当的调理芯片 进行补偿。 1 5 1 原理性的补偿方法 压力传感器是利用在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，并组成电桥，其原 理是当不受力时。电桥处于平衡状态，无电压输出；当受到压力的作用时，电桥 失去平衡，电桥输出电压，电桥输出的电压与压力成比例。由于温度的影响，四 个电阻的阻值变化值有可能不同，将使传感器的零点发生漂移。传感器的零位漂 移可采用在电桥电路中串联，并联补偿电阻的方法来解决。 如图1 1 所示，并联的电阻r p 为负温度系数的热敏电阻，主要用来补偿零位 温度漂移；串联的r s 用来调节零位输出。 很多的补偿方法是从其制作工艺去考虑，类似补偿方法主要采取自补偿法， 其中包括一元件法和二元件法。有的方法是从掺杂浓度来考虑，这些在相关文献 中都有报道。 西北t 业人学硕士学位论文绪论 1 5 2 常见的补偿方法 图1 1补偿原理图 在国内的论文中，最常见的一种是采用模数转换器( a d c ) ，对传感器进行温 度补偿。 电路工作原理：温度测量电路是由温度传感器，运算放大器，桥路及模数转 换器等组成。 如图1 2 所示，r t 为热敏电阻，不同的温度产生不同的电压信号，此信号送 至a d c 0 8 0 9 ，而运放的同相输入端将电桥所产生的电流信号转换成电压信号，送 到模数转换器的基准电压输入端，利用此基准电压来消除零点温度产生的误差信 号。 此电路的实质是当电桥的输出电压发生微小变化时，其输出到a d c 的基准电 压也发生变化。大多数温度传感器的温度系数是负值，而电阻温度系数是证值。 两者的绝对值非常接近。 西北工业大学硕i ：学位论义绪论 v c c d i g i t a io u t p u t 图1 2采用d 补偿原理图 在这里是利用了t c r ( 电桥阻抗温度系数) 和t c s ( 灵敏度温度系数) 的绝对 值相等这一理想条件，但在实际当中，有一定的误差。而后用m a x l 4 5 7 修正时， 考虑到这一情况。 也有相关采用a d 转换器进行温度补偿，补偿思路类似，也都是从电桥本身 获得温度电压。 可以将补偿电阻网络与a d 转换电路相结合使用，理想情况下，从电路上可 以将温度的误差项彻底消除。但这些是对平衡电阻的分析不够，运放本身的输入 漂移电压和漂移电流而引起的误差也没有考虑。 在其它补偿方法中，也多以增加串，并联电阻为主，通过预先测得的变化曲 线调整阻值的大小，或建立数学模型，推导出合适的公式。 1 5 3 现代补偿方法 有一种单片机智能控制系统，摒弃了传统的方法，是将传感器的输出电压u s 去掉其零点温漂电压u t ，作为最后的输出u o = u s - - u t ，此系统中包括压力传感器 及温度传感器，分别将其放大，并有a d 及单片机系统。 l 压力传感器及其放大 一 p 抉h 姜禁燃及 温度传感器及其放大卜一 图1 3 原理框图 系统中的单片机采用8 0 3 1 作为主处理芯片，外接程序存储器和数据存储器。 传感器工作时，在单片机的控制下，首先将a d 转换通路接通温度传感器，依测 出的温度数据，查出预先存储在r a m 中的对应于此温度的补偿值u t ，然后控制 a d 接通压力传感器通路，测出此时的压力传感器输出电压u s ，减去u t ，得到最 后结果。这种方法的实质是根据温度传感器的采样值，进行查表，将对应于此温 度的补偿值u t 提出，后测出u s 求出u o 。而此方法中的放大电路的元件并没有考 虑其温度特性，此方法主要针对的是零点漂移，没有对传感器的灵敏度进行考虑， 因而精度不会太高。这种方法已经表达出一种补偿思想，就是将压力信息和温度 信息都要考虑，还有一点就是预先存储参考值。以及从桥臂获得温度信息，即作 为测压元件又作为温度补偿元件的测量方法。这些都摒弃了传统的方法，为以后 方法的改进提供了好的思路。 也有采用p n 结的特性对硅基传感器进行温度补偿。其实质也是调整外部电 路，修正电路的电阻值。这需要对每个传感器不同的温度特性都要进行实验，并 且成本高，只是阻值的计算方法上有所改进。 正如前所述，对压阻式传感器的温漂的补偿，国内外的许多科技人员做了大 量的工作，也取得了很大的进展。但是这些方法中许多都存在着精度低，成本高， 不能实时补偿等缺点。针对上述情况，美国的m a x 公司成功地开发了一种传感器 的补偿芯片m a x l 4 5 7 。此信号调理芯片以消除传感器因温漂引起的固有的可重复 误差，提高传感器的测量精度，使传感器的误差控制在0 1 以内。 1 6 论文安排 在随后的章节中，第二章介绍了信号调理技术，第三章介绍了m a x l 4 5 7 的结 构，第四章分析了1 4 5 7 的补偿原理，第五章介绍了单路补偿系统，第六章介绍了 多路补偿系统，第七章分析了软件部分的核心代码，第八章误差分析，第九章是 总结与展望。 西北_ 业大学硕士学位论文信号调理技术的分析 第二章信号调理技术的分析 2 1 传统的信号调理技术 正如上一章所介绍的，传统的传感器普遍采用完全模拟的方式对传感器输出 信号进行校准和补偿。信号在模拟域进行处理，校准与补偿采用电位器、电容器 和激光微调薄膜电阻等“模拟记忆”元件，温度补偿一般采用热敏电阻、二极管 等温度敏感元件。所有这些方法存在以下主要缺点： 补偿精度受限于传感器的非线性误差和温度特性 十补偿器件同样受温度漂移影响 激光微调和其它自动调整设备价格非常昂贵 手动调节导致成本增加 2 2 现代信号调理技术 低价格、可编程数字器件的出现使得采用数字方式调整模拟系统成为可能， 并可将独立的校正系数保存在不挥发数据存储器内( 如e e p r o m ) 。对于传感器，这 种电子调整发展为两种技术： 数字传感信号处理器( d s s p ) ：d s s p 技术包括利用a d c 对传感器信号的数字化转 换，利用带有e e p r o m 的微控制器在数字域进行校准和补偿，以及利用d a c ( 如有必 要) 将补偿结果变回到模拟信号。这种方法的优势在于a d c 数字化后的处理，这种 处理是由处理器在数字域完成的。缺点主要表现在软件的复杂性，需要一定的内 存开销。 模拟传感信号处理器( a s s p ) ：通过d a c 调整传感器的激励电流以及数字调整放 大器的偏移和增益，a s s p 技术实现了在模拟域对传感器进行校准和温度补偿。利 用d a c ，e e p r o m 和可数字调节的模拟器件，这种混合技术具有全模拟和全数字这两 种方法的优点，即在模拟域处理信号而用数字系统代替电位器的功能。为改善传 感器的线性，a s s p 系统根据出原始传感器输出n d m 基准输入的反馈信号调节增益 和偏置，这种技术省去了b s s p 中采用的复杂的多项式曲线拟合。利用d a c 将数字量 与模拟电压( d a c 基准输入) 相乘，这是a s s p 电子调节系统的关键。而且这种混合 雪苎i ：些奎兰望圭兰堡篁兰 篁量堡些彗童竺坌堑 技术非常适合于低成本、高精度压力变送器的批量生产。 为使传感器线性化，a s s p 系统中，原始传感器输出作为d a c 基准输入，d a c 的 输出作为反馈信号调节增益和偏置。这种强有力的技术( 应用于m a x l 4 x x 系列器件) 省去y d s s p 中采用的复杂的多项式曲线拟和。利用d a c 将数字量与模拟电压( d a c 基 准输入) 相乘，这是a s s p 电子调节系统的关键依据。 高分辨率d a c 较为昂贵，而且一个传感器中需要多组，以适应适当的a s s p j b 偿。 这个问题随着新型一技术的d a c $ 1 a d c ( 上一章中提到的m a x l 4 5 7 采用此技术) 的 发展而得到了解决，可实现低价格的数字调整。下面对一技术作简单介绍。 一a 调制技术，作为一种能采用较简单的结构及低成本来获得高的频率分辨 率的方法已经成为一种流行的技术。其基本概念是利用反馈环来提高粗糙量化器 的有效分辨率并整形其量化噪声。他最早被提出是在2 0 世纪中期，近2 0 年由于v l s i 技术的发展才逐渐得到应用。很多领域都需要高分辨率、高集成度和低价格的a d c 。 新型一转换技术恰好可以满足这些要求。一转换器中的模拟部分非常简单 ( 类似于一个i b i ta d c ) ，而数字部分要复杂得多，按照功能可划分为数字滤波 和抽取单元。由于更接近于一个数字器件，一a d c 的制造成本非常低廉。这种 技术可在非常小的硅片面积上实现1 6 位转换，使得含有多路d a c 和a d c 的复杂片上 系统成为可能。目前，这一技术已被广泛应用于数字音频、数字电话、图像编码、 通信时钟振动及频率合成等许多领域。 2 3 传感器信号调理器 信号调理器常常与压力传感器放置在起，以补偿传感器在不同温度下的误 差。现在，市场上能够买到低成本的信号调理器，它们可以精确地放大压力传感 器信号、补偿传感器的温度误差，并且能够直接控制校准过程。有些信号调理器 允许设计工程师在多达i 0 0 个温度补偿点校准传感器输出，使工程师能够按照误差 与压力传感器温度曲线之问的关系进行匹配，从而减小温度对传感器的影响。可 修正的误差包括整个温度范围内的零点和满量程增益误差。 信号调理器有电流输出或电压输出，可以适应多种工业标准的幅度范围，工 业和过程控制通常要求4 m a - - 2 0 m a 输出，测试设备要求o 一5 v 的输出范围。全模拟 信号通道，无须信号数字化保持压力传感器输出的模拟信号可避免由于数字 化传感器输出而带来的任何量化噪声。 在使用传感器信号调理芯片时，需要系统具备软件和接口能力，以及相关的 窑垫! ；些查兰堡圭兰堡鎏塞 堡量堡矍丝童塑2 堑 设备，包括恒温箱，经过校准的压力源，供电电源及数字力i 用表等设备。因此， 在传感器领域中，校准系统和离集成度的信号调理器已经成为不可缺少的工具。 o 第三章t a x l4 5 7 结构介绍及分析 主要名词解释 惦b ：最高有效位 n s b中间有效位 l s b ：最低有效位 o d ：o f f s e td a c 偏置系数 s d ：f s od a c 满量程系数 o t c ：o f f s e tt cd a c 偏置温度系数 s t c ：s p a nt cd a c 量程温度系数 l d ： i i n e r i t y d a c 线性系数 a a ：镜像电流增益 t c ：传感器工作温度下限 t h ：传感器工作温度上限 v b ： 电桥激励电压即v - b r i d g e ( 随温度改变，决定量程的大小) v b b u f ：电桥激励电压的缓冲输出 v b i ：理想的电桥激励电压( 此时的量程为4 o r ) i b ：传感器激励电流 p g a ：信号通道增益 a g n d ：模拟地 v o u t ：模块( 传感器及m a x l 4 5 7 ) 的输出电压 v m o ：零压力时模块的输出电压 v m f ： 满量程压力时模块的输出电压 3 1m a x l 4 5 7 概述 m a x l 4 5 7 是m a x 公司生产的一种高集成度应用于压力传感器的信号调理器，是 一个模拟传感器信号处理器( a s s p ) ，它是用混合信号c m o s 技术在一个很小的面积 上做成的a s i c ( 专用集成芯片，以后文中出现a s i c ，均指m a x l 4 5 7 ) 。适用于压 西北工业大学硕上学位论文 m a x l 4 5 7 结构介绍及分析 阻式压力传感器的校准和补偿。m a x l 4 5 7 内部结构示意图及其引脚见图5 2 。 m a x l 4 5 7 包括一个可编程的电流源，是用作传感器的激励，一个可编程的放大 器，个1 2 位的模数转换器，5 个1 6 位数模转换器，和一个运放。为了使得总误差 控制在0 1 以内，m a x l 4 5 7 可以从5 个方面对传感器进行补偿，包括满量程校准， 满量程温度校准，零点漂移校准，零点漂移温度校准，压力线性度校准。 m a x l 4 5 7 的工作原理是利用测试系统，在已知精确温度和压力的环境下，利用 测试专用电路及根据传感器的温漂特性，确定修正系数。然后把修正系数以数字 量的形式写入外部存储器e e p r o m 中，这样就完成了测试和写入工作。在补偿工作 过程中，用与温度成j 下比的v b b u f 为索引，1 4 5 7 就从e e p r o m 中读取该温度下对应 的修正系数，输入d a c 寄存器中，通过d a c 对传感器的输出信号进行修正和补偿， 最后得到已修正的结果v o u t ，利用电压表测出v o u t 的大小就代表了所要测试的压 力的大小。 从另一个角度来说，m a x l 4 5 7 校准和补偿温度带来的误差是通过调节数模转换 器偏差和输入信号的范围。剩余的高阶误差可以通过使用插入一阶函数，然后把 它存储在个可以查阅的表格中( 外部的e e p r o m ) ，然后再利用这个函数来补偿。 在一个自动的运行过程中，m a x l 4 5 7 集成了三个传统的传感器操作方法： 预先测试：传感器性能数据的获得是在一个自主测试计算机控制下完成的。 校准和补偿：校准和补偿系数的计算和存储( 在一个外部的e e p r o m 中) 是通 过计算机的计算和传感器通过总线的传输来完成的。 最终测试：在校准和补偿之后，传感器性能的检测不用离丌测试位置。 上面提到了1 4 5 7 可以同时进行以下校准，满量程校准，满量程温度校准，零 点漂移校准，零点漂移温度校准，压力线性度校准。正因为1 4 5 7 可以修正5 个参 数，因此可以达到o 1 的精度。1 4 5 7 同时对量程和零点都进行了修正，以及对非 线性修f 。在一个补偿系统内实现如此多的功能，这是其它方法所达不到的，是 各种修f 方法之集大成者。 m a x l 4 5 7 的五个d a 转换器的补偿系数存储在外部可编程的e e p r o m 中。e e p r o m 中存储有满量程输出系数( f s o ) ，满量程输出温度系数( f s ot c ) ，偏置( o f f s e t ) ， 偏置温度系数( o f f s e tt c ) ，压力非线性修正系数( l d ) ，等五种修j 下系数( 这里 t c 的含义是t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ，不同与参数表中传感器工作温度下限： t c ) 。其中o d ( o f f s e td a c ) 调整零点位置，o t c ( o f f s e tt cd a c ) 进行温度漂 移的补偿。s d ( f s od a c ) 调整量程的大小，s t c ( f s ot cd a c ) 进行量程的温度 补偿。l d ( l i nd a c ) 调整压力的非线性度。 3 2 模拟部分 l a x l 4 5 7 主要包括以下六个功能模块： 可编程增益放大器( p g a ) 可编程传感器激励电流源 五个1 6 位的数字模拟转换器 一个1 2 位带数字增益和数字偏移修正的模拟数字转换器，和一个可选的 ( m a s kp r o g r a m m a b l e ) 两通道差分模拟开关，用于数字压力v o u t 和数字化的电 桥电压v b b u f 的输出。 一个独立的通用运算放大器 振荡电路和b i a s ( 偏压) 发生器 3 2 1 可编程放大器p g a 可编程增益放大器( p g a ) ，也称程控放大器。根据待测的模拟信号幅值大小 来改变放大器的放大倍率。在数据采集系统中，对输入的模拟信号一般要经过放 大，使模拟量适合于模数转换器的电压转换范围。但是，传感器输出信号可能在 很大范围内变化，若使用固定增益放大器，就不能兼顾不同输入信号幅度的放大 量。p g a 器件能够很好地解决这个问题，因而在数据采集系统中被广泛使用。 可编程仪器放大器是全差分式，并且和一个三位可编程增益放大器、一个用 于漂移和漂移t c 计算的加法电路以及一个单端差分缓冲器组合在起。另外，还 用个通用运算放大器来提高信号通道增益，或者驱动一个外部传感器。图3 1 是仪器放大器的功能方块图。 s o t c ( 表示温度漂移系数) 的符号和s o f f s e t ( 表示漂移) 的符号都是由两个 符号位o t c s i g n 和o f s t s i g n 设置的。p g a 和方块图的总输出都是相对于模拟地a g n d 的差压形式。o t c s i g n 和o f s t s i g n 的设置是通过对配置寄存器c r l 的操作来实现 的( 详见配置寄存器c r i ) 。传感器的信号v s 经过方块图后的输出为： v o u t = v s * p g a + 0 f f s e t + o t c 其中p g a 为可编程放大器的增益，它一共有8 个可选项，它可以通过对配置寄存 器c r i 中的p g a 位的操作来选择增益的，通过对配置寄存器c r i 的操作来选择具 体的增益( 详见配置寄存器c r l ) 。具体定义如表3 1 ： 塑苎三些奎兰堡当兰簦鎏圣坠些! ：! ：丝垫窑塑垒坌丝 图3 1 信号通道图 p g ab i t s总增益 m s bn s bl s bn n ooo5 4 oo19 0 01o1 2 6 o1l1 6 2 1o01 9 8 lo12 3 4 1 10 2 7 0 lll3 0 6 表3 一lp g a 的增益设置 其中m s b 表示最高位 n s b 表示次高( 中间) 位 l s b 表示最低位 4 西北工业大学顶士学位论文 m a x l 4 5 7 结构介绍发分沂 3 2 2 可编程激励电流源 芯片上的电流源是以镜像电流实现的( 如图3 2 所示) 。f s od a 转换器的输出 电压决定了在管脚i s r c ( 电流源参考电流) 处流过电阻r i s r c 上的电流“i ”。另 外，此电流还可以由反馈电阻r s t c ( 修正f s o 温度系数) 和r l i n ( 校正压力线性) 进行修正。然后，这个总电流i 就能作为该镜像电流的参考，以它的乘积i b = a a i s r c 设置电桥电流。图中a a 表示镜像电流增益。 t v 。 图3 2 电桥驱动电路 一个恒定的电流通过任何阻抗变化的电桥，都表现为电桥电压的变化。一个 压阻型传感器电桥电阻的典型温度系数可达3 0 0 0 p p m 。c ( p p m 为百万分之一) 。因 此，通过监控和处理电桥电压，就能得到一个很好的温度传感器。这里的温度是 在传感器元件上实际测量的温度，这就减小了压力传感器和温度传感器之间的热 量梯度误差，改善温度的瞬间误差，降低了电路的复杂程度和成本。信号调理芯 片本身就是一个温度传感器，这正是1 4 5 7 独到之处。 在图中，传感器的激励电压是v b ，在1 4 5 7 中，v b 是一个十分重要的参数， 只有对v b 有了准确的理解，才可以真正搞清1 4 5 7 的补偿原理。传感器内有一个 惠斯通电桥，传感器输入阻抗的任何变化将被芯片解释为温度的变化。芯片依赖 并利用传感器电桥输入阻抗主要随温度变化的事实。由于v b = i b * r b ，因此，v b 就 反映了温度的变化，监控v b ，就可以处理与温度相关的参数。通过这样的设计， 就可以有效的将压力传感器元件转变为温度传感器。因此，可以将压力和温度一 同对待。这样，这个传感器既是压力传感器又是温度传感器。和以前测量系统， 既有压力传感器又有温度传感器相比，性能得到了提高。在后面的分析中，我们 可以看到以v b 的值为索引，经a d 转换后，得到一个与温度的对应值，可以和 e e p r o m 中s t c 和o t c 的地址建立联系，在不同的温度下，可以得到不同的b 和6 。 3 2 3 数模转换器 d a x l 4 5 7 含有五个1 6 位的数模转换器( d ac o n v e r t e r 缩写为d a c ) ，如图 3 3 所示：偏置系数转换器( o f f s e td a c ) ，量程系数转换器( f s od a c ) ，量程温 度系数转换器( f s ot cd a c ) ，偏置温度系数转换器( o f f s e tt cd a c ) ，线性系数 转换器( l i nd a c ) 。这些转换器是以一a 形式设计的，每一个转换器都要有一个 0 0 1uf 或大一些的旁路电容，使其正常运行。其中f s o t cd a 和l i nd a 能以缓 冲器的形式输出，因此它们可以驱动外部的反馈电阻。 除l i nd a 外，每一个转换器都有它们自己的参考电压：f s od a c 和o f f s e td a c 的参考电压为v d d ；f s ot cd a c 和o f f s e tt cd a c 的参考电压为v b b u f ：l i nd a c 一般和v o u t 的输出端相连。之所以选择不同的参考电压，是根据不同的修正参数 决定的。 所有的d a 转换器和控制寄存器，在m a x l 4 5 7 的状态机每一个循环过后都要 更新其中的数据。对于工作频率为l o o h z 的1 4 5 7 来讲，大约对应为每秒3 次。 f s od a c 和o f f s e td a c 都是静态转换器，在补偿的过程中它们的系数不会发 生变化，经过初始化后，f s od a c 和o f f s e td a c 都仅有唯一一个系数存入e e p r o m 中，每一次都读出同一个系数写入对应的d a c 转换器中。 f s ot cd a c 和o f f s e tt cd a c 称为动态转换器，相应的修正量程温度误差和 温度系数误差，它们系数是由存储在e e p r o m 中的1 2 0 个值的矢量表构成的，对于 每一个转换器都是独立的。电桥的激励电压v b b u f 是随着温度变化的，一般来说 它是与温度的大小成正比的，它的变化直接反映了传感器上的温度的变化，因此 用它作为地址，从矢量表中读出d a 转换器的系数，不同温度时读出对应温度下 的不同的系数。 l i nd a c 也是动态的，其系数是一般是依据v o u t 而变化的，是由一个存储在 西北工业大学颂士学垃论文 m a x l 4 5 7 结构介绍及分析 图3 3d a 结构示意图 e e p r o m 中有8 个值的矢量表构成的，但是一般情况下，传感器的线性度较好，可 以不用f s o 线性修正，所以可以将这8 个元素都置为o x 0 0 0 0 。其中原因在第五章 分析。 在5 个d a 中，每一个转换器都有它们自己的参考电压，也就是说，是与每 一个系数所要相乘的电压：f s od a c 和o f f s e td a c 的参考电压为v d d ，这是因为 量程和零点的一阶修正依赖这两个d a c ，需要稳定的电源电压：f s o t cd a c 和o f f s e t t cd a c 的参考电压为v b ，且和6 是要修正温度的影响，v b 正是和温度的改变成正 比，以此电压为参考电压，跟踪了温度的改变，1 4 5 7 的独特结构就在于此：l i n d a c 一般和v o u t 的输出端相连，因为x 是修正输出电压的线性变化，自然是从v o u t 引出反馈。 雪j j 当些查兰竺圭兰竺堡塞 罂垒兰! ! i ：篁塑窑塑垒坌篓 3 2 4 模数转换器 该1 4 5 7 还有一个a d 转换器，如图3 - 4 所示。它具有1 6 位的分辨率和1 2 位 的精度。旦转换完成，就会依照状态机的状态生成一个1 6 位数，然后该数减去 一个1 2 位的数字偏置，再分为n 等份( n = l ，2 ，4 ，8 ) ，这就是数字增益调节。然后 这1 2 个最有效的数字即可作为输出。 o t c f s o t c e e p r o m 地址范mf s 0 l j n 数字v b 数字v o u t ( 8 一1 2 7 ) ( 1 3 6 2 5 5 ) ( 1 2 8 - 1 3 5 ) 可选 ( 1 2 b i t ) ( 1 2b i t ) 可选 图3 4a d 转换器 该a d 转换器的差值输入被连接在差值多路丌关上。该多路开关在v b b u f 通 道和v o u t 通道( 作为可选择性的数字化压力输出) 之问选择其一。在v b b u f 和多路 开关之间有两位可编程模拟增益放大器。这个可编程增益放大器的增益范围从1 到5 2 ，分为4 级。这些位被存在配置寄存器1 ( c r i ) 中作为v b b u fp g a 的增益 位( 详见数字部分的描述) 。该p g a 的增益由两位二进制进行选择( 在c r l 中被描 述为v b b u fp g a 的编程位，在外部e e p r o m 中) ，它们被描述如表3 2 ： 该a d 转换器具有数字化可编程的增益和偏置。这些增益和偏置都存储在 e e p r o m 的配置寄存器2 ( c r 2 ) 中。c r 2 中的值( 数字化增益和偏置) 只有当a 9 产生一个指向f s ot c 、o f f s e tt c 或线性f s o 的修正表( 在e e p r o m 中) 的地址矢 量时才有用。当a d 通过m i c r o w i r e 线送出的输出作为一个v b b u f 或v o u t 的1 2 西北工业大学硕士学位论文m a x l 4 5 7 结构介绍及分析 v b b u fp g ab i t s 总增益 m s bm l b oo1 0 ( 缺省) ol1 5 1 o2 0 1l2 5 表3 2v b b u fp g a 增益配置 位表示量时，它代表了没有对数字增益和偏置修正进行的任何算术运算的1 2 位最 有效位。v o u t 和v b b u f 的数字化输出均代表它们通过多路开关后的值，比如， ( v o u t - a g n d ) 木0 8 或( v b b u f a g n d ) * p g a * 0 8 。 在1 4 5 7 芯片中，模拟值v b 将会用一个1 2 位二进制数来表示，通过接口可以 读到这1 2 位数，这个数与具体的模拟量有如何关系，目前没有找到，这完全不影 响使用1 4 5 7 。最重要的是如何计算得到e e p r o m 中的地址。在对图3 4 的理解中， a d 是如何转换以及偏罱、增益是如何计算，这些并没有搞清楚。但是，根据实验， 完全掌握了偏霞、增益如何设置，以及v b 与地址之间的