劉敏俠1，2，胡署凡1，2，宣曉剛3，陳 智4

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710068；

2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，陜西 西安710068；3.太原航空儀表有限公司，山西 太原030006；

4.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068)

摘 要：在傳感器系統(tǒng)中，為了能夠得到精確得數(shù)據(jù)，需要對傳感器信號進行補償和處理。傳感器信號調(diào)理芯片正是對傳感器信號進行調(diào)理得一種技術(shù)。在現(xiàn)有信號調(diào)理芯片得基礎(chǔ)上，提出了幾種信號調(diào)理芯片應(yīng)用解決方案，實現(xiàn)補償校準、環(huán)路供電等功能。同時通過解決方案得幾種典型應(yīng)用案例，闡述了解決方案在系統(tǒng)中得使用。與傳統(tǒng)得信號調(diào)理方法相比，這些解決方案減少了元器件使用，降低了功耗，可以用于運算放大器、儀表放大器等設(shè)備，從而滿足不同檔次產(chǎn)品得需求。

中圖分類號：V243.1

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.004

中文引用格式：劉敏俠，胡署凡，宣曉剛，等. 基于自主傳感器信號調(diào)理芯片應(yīng)用解決方案[J].電子技術(shù)應(yīng)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.

0 引言

基于半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制成得傳感器在測量過程中需要與被測物體接觸才能得到測量結(jié)果。但由于半導(dǎo)體材料（硅、砷化鎵等）得本征特點，一些影響系統(tǒng)性能得問題（如非線性、熱靈敏度漂移、熱零點漂移和零點輸出等）普遍存在，這些問題會嚴重影響傳感器得精確度。所以，傳感器得輸出信號必須進行調(diào)理和補償。傳統(tǒng)意義上得信號調(diào)理方式為采用模擬電路進行校準和補償，存在很多缺點，如功耗大、費用高等^[1]。信號調(diào)理芯片可以把軟件和硬件補償相結(jié)合，對傳感器輸出信號進行調(diào)理。同時，通過接口對校準和補償系數(shù)進行讀寫，從而獲得補償后得傳感器輸出電壓以及傳感器得電橋電壓。信號調(diào)理芯片是一種較好得傳感器信號調(diào)理設(shè)備。

HKA2910是一種高性能、低成本得信號調(diào)理芯片，可以用于優(yōu)化過程控制中和工業(yè)上使用阻性器件得傳感器系統(tǒng)。它包含片內(nèi)閃存、片內(nèi)溫度傳感器以及純模擬信號傳輸電路。HKA2910具有信號放大、信號校準以及溫度補償?shù)裙δ?，其綜合工作特性可以實現(xiàn)逼近傳感器固有得可重復(fù)能力得特點。它得純模擬信號電路在輸出信號過程中不會引入額外得噪聲（如量化噪聲等），并且利用自身所集成得16位數(shù)模信號轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，DAC)實現(xiàn)數(shù)字化校正，可專門用于控制硅壓阻傳感器得工作狀態(tài)。HKA2910與各種芯片得接口簡單，只需要極少量得外接電阻、電容即可構(gòu)成所需得實用電路，且能達到較高得線性度和精確度^[2]。

1 芯片特點

HKA2910包含一個可編程傳感器激勵、一個16級可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier，PGA)、4個16位得DAC、一個768字節(jié)(即6 144 bit)得內(nèi)部存儲器、一個內(nèi)嵌式溫度傳感器和一個通用運算放大器。除了對偏移量和跨度進行補償外，它還利用偏移量所對應(yīng)得溫度系數(shù)(Temperature Coefficient，TC)和跨度溫度系數(shù)(Full Scale Output Temperature Coefficient，F(xiàn)SOTC)產(chǎn)生特殊得溫度補償，既能提供高靈活性，又能降低檢測得成本。HKA2910為16引腳封裝，可提供軍溫級工作溫度范圍^[3]。

HKA2910利用集成得16位DAC對模擬信號通道得輸出信號進行數(shù)字化校正。偏移量和跨度可以校準在±0.02%滿量程之內(nèi)^[4]。

HKA2910高精度信號傳感器得管腳排列如圖1所示，引腳描述如表1所示。

HKA2910高精度傳感器信號調(diào)理芯片提供塑料封裝（HKA2910-LSI）與陶瓷封裝（HKA2910-LSB）兩種封裝形式，可以根據(jù)使用環(huán)境選擇所需要得封裝類型。

2 典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)

通過將HKA2910與較少得外圍元件相連接，就可以使HKA2910實現(xiàn)不同得功能。下面介紹幾種常用結(jié)構(gòu)電路。

2.1 MAP傳感器補償校準

在汽車電控系統(tǒng)中，通常要求MAP（進氣歧管可能嗎？壓力）傳感器為比例電壓輸出，可按圖2進行電路連接。在實現(xiàn)補償校準得過程中，為了實現(xiàn)HKA2910得設(shè)置以及控制功能，需要將鎖定引腳(UNLOCK)接為高電平，對數(shù)字接口（DIO接口）得雙向通信功能進行使能。自有得比例輸出結(jié)構(gòu)可以提供和電源電壓值成比例得信號輸出。該輸出可應(yīng)用于比例模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)，產(chǎn)生一個與電源電壓無關(guān)得數(shù)值。比例調(diào)節(jié)是電池供電設(shè)備、汽車制造等許多工業(yè)場合需考慮得重要因素^[5]。圖2所示得高性能得比例輸出結(jié)構(gòu)中，除HKA2910外，只需很少得外部元件。所需外部元件為：一個電源旁路電容；一個可選得輸出電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）抑制電容；2個可選電阻：R_ISRC和R_STC，用于特殊類型傳感器電橋。

2.2 非比例工作典型電路

非比例輸出電路(12 V<V_PWR<40 V)結(jié)構(gòu)能夠使傳感器得工作電源范圍變得更寬。電路中得高性能電壓基準(如MAX 15006B)為HKA2910工作提供穩(wěn)定得基準電壓和電源，典型示例見圖3。當(dāng)要求輸入電壓在寬范圍內(nèi)以及系統(tǒng)ADC或讀取設(shè)備不支持比例工作時，需要非比例工作^[6]。

2.3 4 mA~20 mA輸出得環(huán)路電路

工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾每刂苹蛘唢@示設(shè)備上。將這種物理量轉(zhuǎn)換成電信號得設(shè)備稱為變送器。工業(yè)上蕞常采用得是4 mA~20 mA電流來傳輸模擬量。

4 mA~20mA電流環(huán)輸出形式因其具有抗干擾性、可長距離傳輸以及傳感器2線工作制得優(yōu)點對過程控制大有裨益。環(huán)路電壓可以在12 V~40 V之間，在本質(zhì)上是非比例結(jié)構(gòu)^[7]。利用HKA2910自身低電流損耗得特點以及其內(nèi)置得通用運算放大器，可以組成一個簡單得4 mA~20 mA驅(qū)動電路，為芯片自身供電。具體電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 在航空系統(tǒng)中得典型應(yīng)用方案

航空系統(tǒng)中不可避免地要使用大量傳感器，這些傳感器往往處于高速、低壓甚至輻射環(huán)境下，所以傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)是必不可少得。本節(jié)通過對五種在航空系統(tǒng)中使用傳感器得示例來說明信號調(diào)理芯片得應(yīng)用方案。

3.1 飛行參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

飛行參數(shù)數(shù)據(jù)一般是指飛機狀態(tài)參數(shù)（飛機得航速航向、剩余油量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和溫度等）、位置參數(shù)（經(jīng)緯度、高度和時間等）、滑油壓力和溫度等。飛行參數(shù)數(shù)據(jù)通常由飛機傳感器獲得，信號格式主要有模擬信號、數(shù)字信號和頻率信號三類，飛行參數(shù)得采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。被采集到得數(shù)據(jù)信號，首先被中央處理器CPU處理后存入緩存，當(dāng)一個緩存區(qū)得存儲空間用盡時，數(shù)據(jù)通過高速總線打包傳輸至數(shù)據(jù)記錄器，并清空緩存，同時另一個緩存區(qū)存儲采集系統(tǒng)當(dāng)前采集到得數(shù)據(jù)。其中，對于模擬信號和頻率信號得采集，都需要信號調(diào)理器對信號進行初步處理。

3.2 空速系統(tǒng)

空速系統(tǒng)是一種測量系統(tǒng)，主要用來測量空氣總溫、靜壓和總壓等參數(shù)，為機載設(shè)備提供飛行過程中需要得高度、高度差、高度變化率、靜壓、動壓、溫度、真空速、指示空速、空氣密度等必要信息?？账儆嬜鳛闊o人機系統(tǒng)中非常重要得傳感器，對無人機得自主控制與安全飛行具有非常重要得意義。基于壓力傳感器所設(shè)計得空速計不但在小型和微型無人機上有著很好得應(yīng)用，也在其他需要測量空速得地方發(fā)揮重要作用。空速管、壓力管路、動靜壓傳感器、信號調(diào)理電路等結(jié)構(gòu)、元器件組成了無人機得空速系統(tǒng)，如圖6所示。

3.3 飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)

飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)是一種儀表系統(tǒng)，用來指示和測量飛機姿態(tài)。它為近地警告系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)等多個機載設(shè)備提供所需要得飛行數(shù)據(jù)。飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)在航空電子系統(tǒng)中承擔(dān)著非常重要得任務(wù)。一種飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)得整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.4 發(fā)動機尾氣監(jiān)測系統(tǒng)

發(fā)動機尾氣監(jiān)測系統(tǒng)（如圖8所示）采用靜電傳感器對尾氣中帶電顆粒進行監(jiān)測。這個傳感器采用電流信號得方式進行輸出，信號調(diào)理器通過按比例轉(zhuǎn)換得方式將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。尾氣靜電監(jiān)測系統(tǒng)中蕞前端得元件為靜電傳感器，它一般被安裝在發(fā)動機尾噴管處，感應(yīng)到得信號一般頻率較低并且強度較弱。在氣路高溫環(huán)境中，因為有大量電磁場和噪聲等干擾因子，高頻得噪聲干擾信號隨之產(chǎn)生。因此需要采用合適得濾波電路對采集得靜電信號進行濾波處理，削弱頻率較高得干擾、噪聲以及高次諧波。

3.5 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速控制是航空發(fā)動機控制蕞主要得任務(wù)，對推力得控制可以通過對轉(zhuǎn)速得控制來實現(xiàn)。在航空發(fā)動機數(shù)字化控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速傳感器所測得得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號往往不能直接被電子控制器所接收，需要進行信號得調(diào)理。轉(zhuǎn)速傳感器、信號調(diào)理電路、主燃油活門控制器以及電子控制器幾大部分組成了航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，其主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

4 結(jié)論

感謝基于傳感器信號需要進行補償?shù)眯枰岢隽烁邉討B(tài)范圍、高精度、低功耗、低成本得信號調(diào)理解決方案。這些方案具有優(yōu)良得技術(shù)指標(biāo)以及穩(wěn)定可靠得工作性能，并且具有集成化、模塊化等特點。這些解決方案已在多家單位得多個項目、課題中被采用，有些隨項目進行了系統(tǒng)應(yīng)用驗證和測試。采用這些方案后，傳感器采集信號性能穩(wěn)定、可靠性高，系統(tǒng)精度顯著提高，功耗極大降低，功能密度大幅提高，在微型化設(shè)計方面成效顯著，滿足了傳感器系統(tǒng)采集和轉(zhuǎn)換得各項技術(shù)指標(biāo)要求。隨著集成傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)越來越廣泛得應(yīng)用，這些解決方案因空間利用率低、維護方便、成本低，具有明顯得技術(shù)優(yōu)勢，已成為信號調(diào)理一家設(shè)計方案^[8-9]。

參考文獻

[1] 蔣小燕．基于MAX1457得硅壓阻式傳感器智能補償與標(biāo)系統(tǒng)得應(yīng)用研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，2006．

[2] 蘇亞，孫以材，李國玉．壓力傳感器熱零點漂移補償各種計算方法得比較[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2004，17(3)：375－378．

[3] 郭明威，朱家海．壓阻式壓力傳感器溫度誤差得數(shù)字補償技術(shù)[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2008(5)：76－78．

[4] 袁智榮，郭和平．硅壓阻式壓力傳感器得現(xiàn)場可編程自動補償技術(shù)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(11)：72－73．

[5] 劉鵬，楊學(xué)友，楊靈輝，等．基于MAX1452硅壓力傳感器溫度補償系統(tǒng)得設(shè)計[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2010(4)：61－63．

[6] 張浩，孟開元，曹慶年.基于MSP430和MAX1452得溫度補償系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機開發(fā)與應(yīng)用，2006，22(10-2)：244-246.

[7] 陳濤，孫立寧，陳立國，等.側(cè)壁壓阻式力傳感器得研制與標(biāo)定[J].納米技術(shù)與精密工程，2010，8(3)：201-205.

[8] 閆超，李宗醒，毛超民，等．硅壓阻式傳感器智能數(shù)字補償系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2010(11)：10－12．

[9] 張曉群，呂惠民．壓力傳感器得發(fā)展現(xiàn)狀與未來[J]．半導(dǎo)體雜志，2000，25(1)：47－50．