基于PGA309的信號調(diào)理系統(tǒng)的設(shè)計

王永清，饒和昌

（華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，壓力傳感器在狀態(tài)監(jiān)測中有著廣泛地應(yīng)用。精確的傳感器信號能夠很好的還原被測量的狀態(tài)，以利于人們做出正確可靠的決策。由于材料及加工工藝的限制，傳感器直接輸出的信號不可避免地存在非線性、零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移等問題。為此，在實際使用過程中需要對這些不確定因素進(jìn)行補償，以獲得滿足使用要求的信號。針對橋式壓力傳感器，選用TI公司的PGA309信號調(diào)理芯片進(jìn)行外圍硬件電路和軟件算法的設(shè)計，以補償傳感器非線性輸出及溫度漂移等問題。

1 橋式壓力傳感器

這里考慮的調(diào)理對象是一種硅壓阻式壓力傳感器，采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋，作為力電變換的測量電路，結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示。R1～R4為應(yīng)變電阻，VEXC為電橋激勵電壓，Uo為電橋輸出電壓。惠斯頓電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。

根據(jù)電橋的基本特性，當(dāng)外界壓力使R1～R4的電阻發(fā)生改變時，Uo的值也會相應(yīng)地發(fā)生改變，Uo值的大小反應(yīng)了施加于傳感器上的外部壓力的大小。為了提高傳感器的靈敏度，在電橋設(shè)計時，把一對阻值增大的電阻相對排布（R2、R3），另一對阻值減小的電阻相對排布（R1、R4），如此，電橋的輸出為：

圖1 壓阻式傳感器原理圖Fig.1 Diagram of piezoresistive pressure sensor

簡化后為：

ΔRT是指由于溫度的改變而引起的電阻變化。為簡化分析，認(rèn)為4個擴散電阻起始阻值都相等并為R。式（2）說明，電橋輸出Uo一方面與ΔR/R成正比，另一方面又正比于供電電壓VEXC，即電橋的輸出電壓除了與被測量成正比外，同時與電橋輸入電壓VEXC的大小和精度有關(guān)[1]。此外，由于半導(dǎo)體的溫度特性，當(dāng)溫度變化時橋臂阻值也會發(fā)生相應(yīng)的改變，因此輸出電壓Uo還與溫度有關(guān)。所以，在實際使用過程中，為了使得輸出信號盡可能反應(yīng)真實的壓力信息，需要克服橋式壓力傳感器非線性及溫度漂移的缺點。針對這些問題，設(shè)計一種基于PGA309的信號調(diào)理電路來對這種橋式壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定和校正。

2 PGA309的功能模塊

PGA309是TI公司的一款可編程的數(shù)字化信號調(diào)理芯片，主要用于橋式壓力傳感器，將微弱的傳感器信號進(jìn)行放大輸出。它的內(nèi)部功能框圖如圖 2所示[2]：

PGA309共有三級信號放大電路[3]：前置放大器G1用于對輸入微弱傳感器進(jìn)行放大和噪聲抑制，因此其增益范圍最大為4～128，后級放大器G3用于驅(qū)動輸出增益調(diào)節(jié)范圍為2～9，前置放大器G1和后級放大器G3的增益為固定的幾個數(shù)值，通過PGA309內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，為了獲得期望的指定增益倍數(shù)，中間級G2通過一個16位的DAC可以實現(xiàn)對增益的精細(xì)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍為0.333 3～1倍。通過三級放大調(diào)節(jié)，PGA309的最大增益可達(dá)到1 152?？紤]到傳感器的零點漂移，PGA309還內(nèi)置了零點漂移校正功能，可以在兩處進(jìn)行調(diào)節(jié)：粗調(diào)在前置放大級G1以前，精調(diào)在前置放大級G1之后精細(xì)調(diào)節(jié)G2之前。通過這兩次調(diào)節(jié)完成對零點漂移的補償。

圖2 PGA309內(nèi)部功能模塊Fig.2 Internal functional modules of PGA309

PGA309內(nèi)部功能模塊工作時需要一個穩(wěn)定的參考電壓，既可以選擇芯片內(nèi)部的參考電壓也可以選擇外部參考電壓。為了盡可能地簡化硬件電路，本設(shè)計選用內(nèi)部參考電壓VREF（2.5 V或者4.096 V）作為各功能模塊的電壓基準(zhǔn)。電橋激勵電壓的選擇同樣有兩種方式，可外接獨立的恒壓源對其供電，或者使用PGA309提供的VEXC作為激勵電壓，若要使用PGA309內(nèi)部的線性化功能模塊則必須以VEXC的作為激勵源。線性化電路通過引入輸出電壓反饋，動態(tài)的改變VEXC的大小以達(dá)到線性校正的目的。引腳VIN1和VIN2接電橋的輸出端。

PGA309有兩種數(shù)字接口，一種為單線制UART的編程口（PRG），主要用于對PGA309內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，波特率為 4.8～38.4 kb/s；另外一種為兩線制（SDA&SCL）I2C 接口，該接口主要用于對外部EEPROM進(jìn)行存取訪問，EEPROM存放PGA309的配置信息及溫度補償系數(shù)表。PGA309有9個內(nèi)部寄存器，用于對其各功能模塊進(jìn)行配置及狀態(tài)的監(jiān)測。上電后，PGA從EEPROM讀取配置信息，之后進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換的溫度值檢索事先標(biāo)定好的溫度補償系數(shù)表，查詢當(dāng)前溫度下的增益精調(diào)和零點精調(diào)值，這樣便完成了一次輸入電壓的放大，此后的每一次信號的放大都是從溫度采樣開始。

綜上所述，PGA309的主要功能除了進(jìn)行信號增益放大，還可實現(xiàn)對信號的非線性及溫度漂移進(jìn)行補償。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 PGA309與EEPROM的接口電路

EEPROM用于存儲PGA309寄存器的配置信息和溫度補償系數(shù)表，至少需要8 kbit的存儲空間[3]。設(shè)計中選用較為常見的24LC16B，這是一個16 kbit的EEPROM，擁有一個兩線制的串行通信接口用于與PGA309通信，如圖 3所示[4]。

圖3 EEPROM與PGA309的接口電路Fig.3 Interface circuit of EEPROM and PGA309

3.2 PGA309的串行通信接口電路

對傳感器進(jìn)行標(biāo)定時需要建立計算機與PGA309的通信。PGA309與計算機的通信有兩種接口模式：單線制PRG口和兩線制I2C接口。由于與外部EEPROM的通信需要用到I2C接口，為了避免總線沖突，設(shè)計中采用單線制接口實現(xiàn)與計算機的通信。由于PGA309的編程口為單線制，而計算機上的RS232接口發(fā)送與接收為單獨的兩路信號，所以這里需要一個單線轉(zhuǎn)雙線的通信接口。如圖4所示，74HC04為六反向器用于驅(qū)動和隔離收發(fā)信號，實現(xiàn)單線制與雙線制的通信[5]。

圖4 PGA309與RS232的接口電路Fig.4 Interface circuit of PGA309 and RS232

3.3 溫度接口電路

PGA309的溫度測量即可以利用內(nèi)部的溫度傳感器獲取，也可以利用外接的測溫元件。采用內(nèi)部傳感器進(jìn)行溫度測量時，將TEMP引腳接地。選用外部傳感器測溫時，TEMP腳接至RTEMP與電橋的連接點處或直接通過串接一個二極管進(jìn)行溫度測量。

實現(xiàn)溫度測量后，利用溫度值進(jìn)行查表，得到預(yù)先標(biāo)定好的分段溫度補償系數(shù)值，用于配置該溫度下零位DAC和增益DAC的大小，從而實現(xiàn)對傳感器溫度漂移的補償。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

一個典型的壓力傳感器測試系統(tǒng)其誤差來源主要包括傳感器零點和靈敏度的漂移、激勵引起的傳感器非線性輸出以及調(diào)理電路附加的干擾[3]。其中傳感器自身零點和靈敏度隨溫度的漂移及輸出非線性對整個測試系統(tǒng)的測量精度影響最大，如不進(jìn)行相應(yīng)的補償與處理將無法滿足使用要求。對上述兩大誤差源PGA309通過溫度補償系數(shù)表及線性化電路對傳感器端輸出信號進(jìn)行了有效的補償與調(diào)理。

PGA309軟件設(shè)計的最終目的是為了生成溫度補償系數(shù)表以及合理的內(nèi)部寄存器配置字。為了盡可能地滿足不同傳感器測量范圍，對PGA309增益的分配及零位的調(diào)節(jié)應(yīng)遵守幾點原則[3]。

1）盡可能使得增益精調(diào)的值接近于中間值（0.667）。

2）盡可能大的選取前端增益值以提高信噪比。

3）通過選取合適的零位粗調(diào)值使得零位精調(diào)的值盡可能接近中間值。

4）零位粗調(diào)功能會引入額外的噪聲，在調(diào)節(jié)范圍滿足使用要求，同時希望噪聲最小的情況下，盡可能的將零位粗調(diào)的值設(shè)為最小，以最大限度的限制噪聲。

4.1 傳感器數(shù)學(xué)參考模型

對于大多數(shù)橋式壓力傳感器而言，輸入壓力與輸出信號并不是簡單的線性關(guān)系。溫度的變化會影響傳感器的零點和滿量程點，在溫度不變的情況下激勵壓力也會導(dǎo)致明顯的非線性輸出。文獻(xiàn)[6]中提出了一種傳感器的數(shù)學(xué)模型，如式（3）所示。

該數(shù)學(xué)參考模型的計算值與實際測量值基本一致，因此基于該參考模型設(shè)計的補償算法同樣適用于實際的傳感器。由參考模型數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，為了解算出模型中的參量n0～n6至少需要7組不同溫度壓力下的實驗數(shù)據(jù)。結(jié)合實際使用需要，按表1測量7組傳感器數(shù)據(jù)[6]。

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄表Tab.1 Table of calibration data

測量所得的數(shù)據(jù)還需要結(jié)合PGA309具體的配置反解出電橋端的輸出值 Kbridge（P，T）。

4.2 線性化校正算法

對橋式壓力傳感器非線性部分的補償，是通過PGA309線性化模塊實現(xiàn)的[3]。PGA309線性化模塊僅實現(xiàn)對壓力引起的非線性進(jìn)行補償，對溫度引起的非線性誤差不予考慮。PGA309線性化模塊通過引入一定比例的輸出電壓，動態(tài)地改變電橋激勵電壓的大小，從而使得輸出電壓盡可能與理想線性曲線相吻合。

式中KLIN為線性化系數(shù)，對于選定了參考電壓范圍的系統(tǒng)，KLIN值的取值大小直接影響電橋的激勵電壓VEXC。結(jié)合傳感器數(shù)學(xué)參考模型可知，對于橋式壓力傳感器其非線性最大處位于50%滿量程輸入壓力附近。為此，PGA309線性化模塊的最佳工作點，應(yīng)該配置在使得輸入壓力為滿量程一半時的輸出值與理想輸出值相等，即使得50%壓力處的輸出非線性誤差趨于零。

式中BV為中間點的誤差值，通過測量輸入分別為0、50%、100%時的電橋輸出可以求得，進(jìn)而代入式（7）解得線性化系數(shù)KLIN。

4.3 溫度漂移補償算法

PGA309線性化模塊僅消除了激勵引起非線性誤差，為此還需要對溫度漂移誤差進(jìn)行補償。PGA309在每次信號放大前都先進(jìn)行溫度采樣，根據(jù)事先建立的溫度補償表，按照一定的檢索算法查詢與該溫度匹配的零點和增益精調(diào)DAC值，從而使得在不同溫度下PGA309輸出依然滿足期望的輸出范圍。溫度補償算法的核心是建立溫度補償系數(shù)檢索表，為此，首先要建立每個傳感器對應(yīng)的溫漂曲線。根據(jù)傳感器的數(shù)學(xué)參考模型，當(dāng)輸入壓力P=Pmin時，此時對應(yīng)電橋的零點漂移曲線，式（8）；當(dāng)P=Pmax時，對應(yīng)電橋的靈敏度漂移曲線，式（9）。

由式（8）、（9）及期望的輸出范圍即可解算出所需工作溫度范圍內(nèi)Zero DAC和Gain DAC的值，進(jìn)而采用線性插值算法建立17個溫度點的補償系數(shù)表[6]。

通過以上幾步的算法的設(shè)計可以大大提高整個測量系統(tǒng)的精度，具體算法流程如圖5所示：

5 結(jié)束語

由于材料和制造工藝的限制，傳感器普遍存在著非線性及溫度漂移等問題。本文通過分析橋式壓力傳感器的原理及產(chǎn)生誤差的原因，設(shè)計一種基于PGA309的信號調(diào)理電路，詳細(xì)分析了電路的各功能模塊。針對橋式壓力傳感器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)該理論模型介紹了一種軟件補償算法，并給出了軟件補償算法流程，從而實現(xiàn)對傳感器的非線性及溫度漂移進(jìn)行有效補償。

圖5 PGA309算法流程圖Fig.5 Flow chart of PGA309 algorithm

[1]孫以材.壓力傳感器的設(shè)計制造與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[2]Texas Instruments Inc.PGA309 product datasheet[S].USA:Texas Instruments Inc，2003.

[3]Texas instruments Inc.PGA309 User’s Guide[S].USA:Texas Instruments Inc，2005.

[4]龔綠綠.基于PGA309實現(xiàn)的高精度壓力變送器[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]Joshi H P， Burlacu B， Prabhu M M.Wireless structural health monitoring system design， implementation and validation[R].USA NC State University，2005.

[6]Artkay， Ivanov M， Schffer V.A practical technique for minimizing the number of measurements in sensor signal conditioningcalibration[R].Texas Instruments Inc，2005.