基于信號調(diào)理芯片實(shí)現(xiàn)橋式傳感器高精度校準(zhǔn)

摘要：壓力傳感器是現(xiàn)實(shí)生活中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制，汽車電子，醫(yī)療設(shè)備，本文主要針對應(yīng)變電阻惠斯通電橋式傳感器的生產(chǎn)標(biāo)定做出簡要說明，以供壓力傳感器工程人員參考。限于編者水平有限，望讀者對文中不妥和錯(cuò)誤之處給予批評指正。

傳感器特性

圖1為直流電橋，當(dāng)前輸出電阻無限大時(shí)，則前橋的輸出可簡化如下：

圖2(左)為xxx型壓力傳感器輸出特性曲線。分別為在-40°，0°，25°以及85°溫度環(huán)境中測試電橋在不同壓力下輸出。實(shí)際應(yīng)用中我們往往期望傳感器輸出與溫度無關(guān)且線性，如圖2(右)。受限于MEMS設(shè)計(jì)制作工藝、材料物理特性等，MEMS傳感器本身很難達(dá)到理想要求，實(shí)際應(yīng)用中往往需在MEMS后端加入信號調(diào)理芯片對其進(jìn)行校準(zhǔn)。

由圖2可看出傳感器輸出不理想因素主要有：零點(diǎn)漂移(offset)，靈敏度(Sensitivity)，以及其非線性(Nonlinearity)。其中零點(diǎn)漂移(offset)和靈敏度(Sensitivity)均受溫度影響，即體現(xiàn)為溫度系數(shù)?？煞謩e由如下公式表示：

公式1為理想傳感器輸出特性，而實(shí)際傳感器特性則需借助于公式2，3，4分別對非線性(Nonlinearity)，零點(diǎn)漂移(offset)，靈敏度漂移(Sensitivity)進(jìn)行描述。

符號說明：

Vout:引入溫漂、非線性后的傳感器輸出

V0：非線性擬合多項(xiàng)式展開基準(zhǔn)點(diǎn)

kn：n階非線性系數(shù)

Tstand：多項(xiàng)式擬合溫度基準(zhǔn)點(diǎn)

tcn：零點(diǎn)漂移(offset)n階溫度系數(shù)

tsn：靈敏度(Sensitivity)n階溫度系數(shù)

信號調(diào)理芯片介紹

傳感器信號調(diào)理芯片通?？梢蕴峁η岸藗鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?，從而使得傳感器器件具有穩(wěn)定可靠進(jìn)行工作，并且使得器件之間具有良好的一致性。除使用集成式的信號調(diào)理芯片外，傳統(tǒng)方案也可以使用外圍分立電路來實(shí)現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)與標(biāo)定，但效率低下，且效果依賴于人工與經(jīng)驗(yàn)，不適于規(guī)模生產(chǎn)。而通過信號調(diào)理芯片的使用，能夠免除手工校準(zhǔn)的繁雜工作，并且提高傳感器器件的可靠性。常見的橋式信號調(diào)理芯片型號包括德國ZMDI公司的ZSC31010，美國美信公司的MAX1452，以及蘇州納芯微電子公司的NSA2300。接下來本文將以NSA2300為例介紹信號調(diào)理芯片對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)的相關(guān)說明。NSA2300為一款專為橋式傳感器提供的高集成、低功耗、高精度的傳感器信號采集、放大和校準(zhǔn)的傳感器接口芯片，可以用于壓力傳感器調(diào)理，磁傳感器調(diào)理，各類應(yīng)變式傳感器接口等。NSA2300可為傳感器提供零點(diǎn)偏移及其溫度補(bǔ)償，靈敏度及其溫度補(bǔ)償以及非線性補(bǔ)償，不需要其他額外的外部器件支持。NSA2300還提供多種溫度測量模式，同時(shí)支持I2C/SPI數(shù)字輸出和模擬輸出，并可通過復(fù)用模擬輸出引腳(AOUT)進(jìn)行單線數(shù)字通訊(OWI)。

主要性能指標(biāo)：

1、超寬的工作電壓范圍：1.8V ~ 5.5V

2、超寬的工作溫度范圍: -40 ℃~ 125 ℃

3、同時(shí)支持24位ADC數(shù)字輸出和12位DAC模擬輸出

4、優(yōu)秀的噪聲性能：600nV@OSR =1024X, Gain=32X (等效到輸入噪聲)

5、校準(zhǔn)精度：0.05%FSO (同時(shí)支持二階溫度系數(shù)、三階非線性校準(zhǔn))

6、超快轉(zhuǎn)換時(shí)2ms@OSR =1024X

7、支持休眠工作模式，大幅減輕MCU負(fù)擔(dān)

8、1X-128X可變增益的低噪聲放大器

9、支持傳感器診斷及輸出箝位功能

10、高精度內(nèi)部溫度傳感器(絕對精度0.5℃，分辨率0.01 ℃)

11、支持多種外部溫度傳感器(二極管，二端、三端熱敏電阻等)

12、支持I2C/SPI串行通信接口

13、支持單線編程(復(fù)用模擬輸出引腳)

圖3NSA2300系統(tǒng)框圖

NSA2300校準(zhǔn)原理：

NSA2300可分別對零點(diǎn)漂移(offset)，靈敏度(Sensitivity)校準(zhǔn)至二階溫度系數(shù)，以及三階非線性系數(shù)。