《电子技术应用》
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基于自主传感器信号调理芯片应用解决方案
2016年电子技术应用第5期
刘敏侠1,2,胡署凡1,2,宣晓刚3,陈 智4
1.中航工业西安航空计算技术研究所,陕西 西安710068; 2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室,陕西 西安710068;3.太原航空仪表有限公司,山西 太原030006; 4.西安翔腾微电子科技有限公司,陕西 西安710068
摘要: 在传感器系统中,为了能够得到精确的数据,需要对传感器信号进行补偿和处理。传感器信号调理芯片正是对传感器信号进行调理的一种技术。在现有信号调理芯片的基础上,提出了几种信号调理芯片应用解决方案,实现补偿校准、环路供电等功能。同时通过解决方案的几种典型应用案例,阐述了解决方案在系统中的使用。与传统的信号调理方法相比,这些解决方案减少了元器件使用,降低了功耗,可以用于运算放大器、仪表放大器等设备,从而满足不同档次产品的需求。
中图分类号: V243.1
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.004
中文引用格式: 刘敏侠,胡署凡,宣晓刚,等. 基于自主传感器信号调理芯片应用解决方案[J].电子技术应用,2016,42(5):14-17.
英文引用格式: Liu Minxia,Hu Shufan,Xuan Xiaogang,et al. Application solution based on autonomic design sensor signal conditioner[J].Application of Electronic Technique,2016,42(5):14-17.
Application solution based on autonomic design sensor signal conditioner
Liu Minxia1,2,Hu Shufan1,2,Xuan Xiaogang3,Chen Zhi4
1.AVIC Computing Technique Research Institute,Xi′an 710068,China; 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design,Xi′an 710068 China; 3.Taiyuan Aerolnstruments Co.,Ltd,Taiyuan 030006,China; 4.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.,LTD,Xi′an 710068,China
Abstract: In sensor system, for getting the precise data, the signal from sensor must be compensated and processed. Signal conditioning chip of sensors is just about it. The article proposes some application solutions for signal conditioning chip, based on the existing chips. These solutions make compensation, calibration, and loop-power come true. Meanwhile, the article expatiates these solutions used in system by some typical cases. Comparing with traditional ways and means of signal conditioning, these solutions uses less accessories and depresses power. They can be used in operator, instrumentation amplifier and so on. They are able to meet various products′ need.
Key words : sensor;signal conditioning;HKA2910

0 引言

    基于半导体压阻效应制成的传感器在测量过程中需要与被测物体接触才能得到测量结果。但由于半导体材料(硅、砷化镓等)的本征特点,一些影响系统性能的问题(如非线性、热灵敏度漂移、热零点漂移和零点输出等)普遍存在,这些问题会严重影响传感器的精确度。所以,传感器的输出信号必须进行调理和补偿。传统意义上的信号调理方式为采用模拟电路进行校准和补偿,存在很多缺点,如功耗大、费用高等[1]。信号调理芯片可以把软件和硬件补偿相结合,对传感器输出信号进行调理。同时,通过接口对校准和补偿系数进行读写,从而获得补偿后的传感器输出电压以及传感器的电桥电压。信号调理芯片是一种较好的传感器信号调理设备。

    HKA2910是一种高性能、低成本的信号调理芯片,可以用于优化过程控制中和工业上使用阻性器件的传感器系统。它包含片内闪存、片内温度传感器以及纯模拟信号传输电路。HKA2910具有信号放大、信号校准以及温度补偿等功能,其综合工作特性可以实现逼近传感器固有的可重复能力的特点。它的纯模拟信号电路在输出信号过程中不会引入额外的噪声(如量化噪声等),并且利用自身所集成的16位数模信号转换器(Digital to Analog Converter,DAC)实现数字化校正,可专门用于控制硅压阻传感器的工作状态。HKA2910与各种芯片的接口简单,只需要极少量的外接电阻、电容即可构成所需的实用电路,且能达到较高的线性度和精确度[2]

1 芯片特点

    HKA2910包含一个可编程传感器激励、一个16级可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)、4个16位的DAC、一个768字节(即6 144 bit)的内部存储器、一个内嵌式温度传感器和一个通用运算放大器。除了对偏移量和跨度进行补偿外,它还利用偏移量所对应的温度系数(Temperature Coefficient,TC)和跨度温度系数(Full Scale Output Temperature Coefficient,FSOTC)产生特殊的温度补偿,既能提供高灵活性,又能降低检测的成本。HKA2910为16引脚封装,可提供军温级工作温度范围[3]

    HKA2910利用集成的16位DAC对模拟信号通道的输出信号进行数字化校正。偏移量和跨度可以校准在±0.02%满量程之内[4]

    HKA2910高精度信号传感器的管脚排列如图1所示,引脚描述如表1所示。

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    HKA2910高精度传感器信号调理芯片提供塑料封装(HKA2910-LSI)与陶瓷封装(HKA2910-LSB)两种封装形式,可以根据使用环境选择所需要的封装类型。

2 典型应用结构

    通过将HKA2910与较少的外围元件相连接,就可以使HKA2910实现不同的功能。下面介绍几种常用结构电路。

2.1 MAP传感器补偿校准

    在汽车电控系统中,通常要求MAP(进气歧管绝对压力)传感器为比例电压输出,可按图2进行电路连接。在实现补偿校准的过程中,为了实现HKA2910的设置以及控制功能,需要将锁定引脚(UNLOCK)接为高电平,对数字接口(DIO接口)的双向通信功能进行使能。自有的比例输出结构可以提供和电源电压值成比例的信号输出。该输出可应用于比例模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC),产生一个与电源电压无关的数值。比例调节是电池供电设备、汽车制造等许多工业场合需考虑的重要因素[5]。图2所示的高性能的比例输出结构中,除HKA2910外,只需很少的外部元件。所需外部元件为:一个电源旁路电容;一个可选的输出电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI)抑制电容;2个可选电阻:RISRC和RSTC,用于特殊类型传感器电桥。

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2.2 非比例工作典型电路

    非比例输出电路(12 V<VPWR<40 V)结构能够使传感器的工作电源范围变得更宽。电路中的高性能电压基准(如MAX 15006B)为HKA2910工作提供稳定的基准电压和电源,典型示例见图3。当要求输入电压在宽范围内以及系统ADC或读取设备不支持比例工作时,需要非比例工作[6]

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2.3 4 mA~20 mA输出的环路电路

    工业上普遍需要测量各类非电物理量,例如温度、压力、速度、角度等,都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制或者显示设备上。将这种物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最常采用的是4 mA~20 mA电流来传输模拟量。

    4 mA~20mA电流环输出形式因其具有抗干扰性、可长距离传输以及传感器2线工作制的优点对过程控制大有裨益。环路电压可以在12 V~40 V之间,在本质上是非比例结构[7]。利用HKA2910自身低电流损耗的特点以及其内置的通用运算放大器,可以组成一个简单的4 mA~20 mA驱动电路,为芯片自身供电。具体电路结构如图4所示。

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3 在航空系统中的典型应用方案

    航空系统中不可避免地要使用大量传感器,这些传感器往往处于高速、低压甚至辐射环境下,所以传感器信号调理系统是必不可少的。本节通过对五种在航空系统中使用传感器的示例来说明信号调理芯片的应用方案。

3.1 飞行参数数据采集系统

    飞行参数数据一般是指飞机状态参数(飞机的航速航向、剩余油量、发动机转速和温度等)、位置参数(经纬度、高度和时间等)、滑油压力和温度等。飞行参数数据通常由飞机传感器获得,信号格式主要有模拟信号、数字信号和频率信号三类,飞行参数的采集系统结构如图5所示。被采集到的数据信号,首先被中央处理器CPU处理后存入缓存,当一个缓存区的存储空间用尽时,数据通过高速总线打包传输至数据记录器,并清空缓存,同时另一个缓存区存储采集系统当前采集到的数据。其中,对于模拟信号和频率信号的采集,都需要信号调理器对信号进行初步处理。

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3.2 空速系统

    空速系统是一种测量系统,主要用来测量空气总温、静压和总压等参数,为机载设备提供飞行过程中需要的高度、高度差、高度变化率、静压、动压、温度、真空速、指示空速、空气密度等必要信息。空速计作为无人机系统中非常重要的传感器,对无人机的自主控制与安全飞行具有非常重要的意义。基于压力传感器所设计的空速计不但在小型和微型无人机上有着很好的应用,也在其他需要测量空速的地方发挥重要作用。空速管、压力管路、动静压传感器、信号调理电路等结构、元器件组成了无人机的空速系统,如图6所示。

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3.3 飞行姿态指示系统

    飞行姿态指示系统是一种仪表系统,用来指示和测量飞机姿态。它为近地警告系统、雷达系统和飞行控制系统等多个机载设备提供所需要的飞行数据。飞行姿态指示系统在航空电子系统中承担着非常重要的任务。一种飞行姿态指示系统的整体结构如图7所示。

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3.4 发动机尾气监测系统

    发动机尾气监测系统(如图8所示)采用静电传感器对尾气中带电颗粒进行监测。这个传感器采用电流信号的方式进行输出,信号调理器通过按比例转换的方式将电流信号转换为电压信号。尾气静电监测系统中最前端的元件为静电传感器,它一般被安装在发动机尾喷管处,感应到的信号一般频率较低并且强度较弱。在气路高温环境中,因为有大量电磁场和噪声等干扰因子,高频的噪声干扰信号随之产生。因此需要采用合适的滤波电路对采集的静电信号进行滤波处理,削弱频率较高的干扰、噪声以及高次谐波。

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3.5 发动机转速控制系统

    转速控制是航空发动机控制最主要的任务,对推力的控制可以通过对转速的控制来实现。在航空发动机数字化控制系统中,转速传感器所测得的转子转速信号往往不能直接被电子控制器所接收,需要进行信号的调理。转速传感器、信号调理电路、主燃油活门控制器以及电子控制器几大部分组成了航空发动机转速控制系统,其主要系统结构框图如图9所示。

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4 结论

    本文基于传感器信号需要进行补偿的需要,提出了高动态范围、高精度、低功耗、低成本的信号调理解决方案。这些方案具有优良的技术指标以及稳定可靠的工作性能,并且具有集成化、模块化等特点。这些解决方案已在多家单位的多个项目、课题中被采用,有些随项目进行了系统应用验证和测试。采用这些方案后,传感器采集信号性能稳定、可靠性高,系统精度显著提高,功耗极大降低,功能密度大幅提高,在微型化设计方面成效显著,满足了传感器系统采集和转换的各项技术指标要求。随着集成传感器信号调理系统越来越广泛的应用,这些解决方案因空间利用率低、维护方便、成本低,具有明显的技术优势,已成为信号调理首选设计方案[8-9]

参考文献

[1] 蒋小燕.基于MAX1457的硅压阻式传感器智能补偿与标系统的应用研究[D].苏州:苏州大学电子信息学院,2006.

[2] 苏亚,孙以材,李国玉.压力传感器热零点漂移补偿各种计算方法的比较[J].传感技术学报,2004,17(3):375-378.

[3] 郭明威,朱家海.压阻式压力传感器温度误差的数字补偿技术[J].仪表技术与传感器,2008(5):76-78.

[4] 袁智荣,郭和平.硅压阻式压力传感器的现场可编程自动补偿技术[J].传感器与微系统,2008,27(11):72-73.

[5] 刘鹏,杨学友,杨灵辉,等.基于MAX1452硅压力传感器温度补偿系统的设计[J].仪表技术与传感器,2010(4):61-63.

[6] 张浩,孟开元,曹庆年.基于MSP430和MAX1452的温度补偿系统设计[J].单片机开发与应用,2006,22(10-2):244-246.

[7] 陈涛,孙立宁,陈立国,等.侧壁压阻式力传感器的研制与标定[J].纳米技术与精密工程,2010,8(3):201-205.

[8] 闫超,李宗醒,毛超民,等.硅压阻式传感器智能数字补偿系统[J].仪表技术与传感器,2010(11):10-12.

[9] 张晓群,吕惠民.压力传感器的发展现状与未来[J].半导体杂志,2000,25(1):47-50.