一種阻性傳感器調(diào)理及處理電路的研究*

惠曉強，李　昶，梁應劍，楊冠蘭

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068；4.成都凱天電子股份有限公司，四川 成都610091)

一種阻性傳感器調(diào)理及處理電路的研究*

惠曉強1，2，李昶3，梁應劍4，楊冠蘭3

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068；4.成都凱天電子股份有限公司，四川 成都610091)

阻性傳感器在軍用及工業(yè)控制領域應用十分廣泛。隨著微電子技術的發(fā)展，阻性傳感器調(diào)理電路從獨立元器件搭建向著集成化和智能化方向快速發(fā)展。首先對國內(nèi)阻性傳感器常用處理方法進行對比分析，再對當前國外阻性傳感器測量電路進行概述，最后介紹一種新型的國產(chǎn)阻性傳感器調(diào)理芯片HKA2910，并總結(jié)出國產(chǎn)阻性傳感器處理器芯片的研究對軍用及工業(yè)領域的重大意義。

傳感器；信號處理；HKA2910

0　引言

在機彈載設備和工業(yè)控制領域中，有大量的測量壓力、溫度、流量的阻性傳感器，它們將壓力、溫度、流量等物理量轉(zhuǎn)換為與之對應的電阻，測量設備或計算機通過測量電阻，即可計算推導出相對應的物理量。本文從阻性傳感器的功能原理出發(fā)對常用阻性傳感器處理電路進行對比分析，最后介紹一種新型的國產(chǎn)阻性傳感器芯片HKA2910，歸納總結(jié)出國產(chǎn)阻性傳感器的使用優(yōu)勢及國防意義。

1　阻性傳感器處理電路實現(xiàn)的功能

一般阻性傳感器處理電路主要實現(xiàn)以下功能：

(1)信號放大功能。傳感器在測量數(shù)據(jù)時，根據(jù)電阻阻值變化獲得的測量信號及其微弱，經(jīng)過信號放大后才利于后端計算機采集。

(2)校準及補償功能。傳感器在采集數(shù)據(jù)時，會受外部環(huán)境變化的影響，所獲得的測量信號會發(fā)生偏移，不能準確地表觀測量數(shù)據(jù)的變化特性，通過校準和補償功能可將外部環(huán)境帶來的影響弱化，確保傳感器測量數(shù)據(jù)的準確性。

(3)A/D轉(zhuǎn)換采集功能。采集計算機通過 A/D對傳感器測得的數(shù)據(jù)進行采集，A/D的轉(zhuǎn)換速率和位數(shù)范圍決定傳感器測得的數(shù)據(jù)的精確性及實時性。

2　國內(nèi)阻性傳感器調(diào)理接口電路的原理及實現(xiàn)

阻性傳感器的自動測量，從理論上說有恒流源測量法和惠斯通電橋法兩種。下面分別對兩種處理方法進行描述。

2.1恒流源測量法

恒流源測量法是通過在傳感器中增加電阻的方式來實現(xiàn)。具體原理為：傳感器中增加測量電阻，并在測量電阻兩端加上恒定電流的激勵，電阻兩端會產(chǎn)生電壓，該電壓隨著被測電阻的變化而變化。測量電壓通過歐姆定律：R=U/I，可以計算出電阻 R的值，然后通過被測物理量與電阻R的對應關系進一步計算出被測物理量。其測試原理框圖見圖1。

圖1　恒流源法測量電路原理框圖

2.1.1恒流源產(chǎn)生電路

為了減小電流流過被測電阻產(chǎn)生的熱量而導致被測電阻阻值的變化，設計時需要盡量減小流過電阻的恒定電流值，一般該電流值選取0.5 mA左右。恒流源的產(chǎn)生電路由精密參考源、運放和高精度電阻組成，其原理圖見圖2。

圖2　恒流源產(chǎn)生電路原理圖

其中，電阻R的阻值可調(diào)節(jié)輸出恒流源的電流大小，輸出電流 I0大小計算公式為：

式中：U為參考源的輸出電壓，R為調(diào)節(jié)電阻。

R的精度直接影響I0，進而影響電阻R的測量，因此，一般選擇高精度的金屬膜電阻。

2.1.2電壓測量電路功能原理

計算機內(nèi)的電壓測量電路是整個測量系統(tǒng)的關鍵，在調(diào)理電路前要進行共模和差模濾波，減小系統(tǒng)中的高頻干擾。為了增大測量電路的輸入阻抗，減小測量電路對被測電路中電流的分流，輸入放大器選用儀表運放進行電壓放大，之后經(jīng)過多路器選擇，A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)隔離驅(qū)動連接計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)總線[4]。測量電路功能組成如圖3所示。

恒流源法測量電阻的優(yōu)點是恒流源激勵電流產(chǎn)生簡單，被測電阻值與采集的電壓是線性關系；缺點是為了去除掉激勵電流線纜上的阻抗，一般要用四線測量法，導致所用線纜較多，增加了系統(tǒng)的重量；同時激勵電流又不能太小，否則會導致傳感器自發(fā)熱，增大誤差。

圖3　電壓測量電路功能組成原理圖

2.2惠斯通電橋法

惠斯通電橋法是一種經(jīng)典的電阻調(diào)理方法[1]，其功能原理如圖4所示。將被測電阻與其他輔助的三個已知阻值的固定電阻組成圖4的電橋，給電橋的上下端加上恒定的電壓源，測量中間兩點的電壓，可以計算推斷被測電阻的阻值。

圖4　惠斯通電橋法測量電路原理圖

被測電阻與輸出電壓之間的關系為：

一般R值選取在R′常溫時的值，因此可以取R′=R+ ΔR，當ΔR遠遠小于R時，得到：

由式(3)可知，在電壓源U和輔助電阻 R固定的情況下，電橋中點電壓Uo與傳感器的電阻的變化量成正比，計算機測量 Uo，通過計算可得 ΔR，從而得到所測物理量的值。

惠斯通電橋可以很容易地對被測傳感器進行測量。優(yōu)點是電壓源、橋臂上的電阻比較容易獲取，精度也有保證，而且電壓源、橋臂上的電阻可以和傳感器分離放置在計算機內(nèi)；缺點是整個電路的溫漂比較大，影響系統(tǒng)精度。由于傳感器一般放置在現(xiàn)場，環(huán)境往往比較惡劣，其溫度可以從-50℃～70℃，被測傳感器的電阻阻值不僅隨被測物理量的變化而變，也會受到現(xiàn)場溫度的影響，導致系統(tǒng)誤差變大。因此，如何減小傳感器的溫漂成為提高系統(tǒng)精度的關鍵[2]。

解決溫漂問題的方法是將整個電橋搭建在傳感器內(nèi)，然后在傳感器內(nèi)設置溫度傳感器，對電橋在每個溫度點進行電壓漂移標定，然后將標定值記錄在存儲器中，傳感器在使用中，通過疊加校正電壓，在電橋中點的輸出電壓中將漂移電壓去掉，從而大大提高系統(tǒng)精度[4]。如果通過分立器件搭建電路，整個系統(tǒng)會比較復雜，成本比較高。

3　國外對阻性傳感器調(diào)理接口電路的處理方式

目前，最新的阻性傳感器調(diào)理接口電路處理方式是單片式集成電路[3]，MAXIM公司的MAX1452已經(jīng)廣泛應用于機載設備和工業(yè)控制領域。MAX1452具有放大、校準和溫度補償功能，其綜合工作特性可以逼近傳感器所固有的可重復能力。其全模擬信號通道在輸出信號中不會引入量化噪聲，并利用集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實現(xiàn)數(shù)字化校正。利用 16位DAC對信號的偏移量和跨度校準，賦予了傳感器產(chǎn)品真正的可互換性[5]。

4　基于HKA2901芯片的阻性傳感器調(diào)理接口電路

近年來，隨著集成電路設計技術的發(fā)展，國內(nèi)的元器件研制單位也競相研制此類復雜的傳感器調(diào)理芯片，HKA2910芯片已經(jīng)國產(chǎn)化，其功能類似于 MAX1452。下面以HKA2910為例介紹該類芯片。

4.1HKA2910芯片介紹

HKA2910是一種高度集成的模擬傳感器信號處理器，芯片內(nèi)集成有一個可編程傳感器激勵、一個16級可編程增益放大器(PGA)、一個內(nèi)部Flash，4個 16位DAC、一個通用的運算放大器以及一個內(nèi)嵌的溫度傳感器。除偏移量和跨度補償外，芯片還利用偏移量的溫度系數(shù)(TC)和跨度溫度系數(shù)(FSOTC)提供獨特的溫度補償，在提供高度靈活性的同時降低了檢測成本。HKA2910功能組成原理圖見圖5。

HKA2910是一種高度集成的模擬傳感器信號處理器，其具有以下功能特性：

圖5　HKA2910功能組成原理圖

(1)具有放大、校準和溫度補償功能；

(2)適應于輸出靈敏度從 1 mV/V～40 mV/V的傳感器；

(3)16 bit的偏移量和跨度校準精度；

(4)內(nèi)嵌查找表，支持多點校準的溫度修正；

(5)支持電壓橋和電流橋激勵；

(6)150 μs快速階躍響應；

(7)內(nèi)嵌通用運算放大器；

(8)安全鎖防止數(shù)據(jù)破壞。

4.2HKA2910應用及優(yōu)勢

HKA2910主要應用于壓力傳感器、變送器、應變儀、壓力校準與控制器、阻性元件傳感器、加濕計及濕度傳感器等領域的信號調(diào)理。

HKA2910與阻性傳感器結(jié)合，通過電橋形成一個能夠?qū)仄M行補償?shù)母呔葌鞲衅?，其精度可以達到0.2%，整個傳感器只需要電源線、地線和信號輸出三根線，內(nèi)置HKA2910的傳感器輸出原理圖見圖6。新的傳感器在出廠前通過專用軟件進行標定校準，校準值儲存在內(nèi)置的Flash中，使用過程中。芯片自動工作，其輸出電壓值已經(jīng)去除了溫漂，直接用圖3所示的采集電路進行采集即可。

圖6　內(nèi)置HKA2910的傳感器輸出原理圖

在控制及監(jiān)控領域使用HKA2910具有以下優(yōu)勢：

(1)自主國產(chǎn)化。自主的知識產(chǎn)權可保證產(chǎn)品生產(chǎn)中無器件斷檔禁運造成的生產(chǎn)終止風險。

(2)使用簡單化。將之前由分立器件搭建的復雜電路高度集成，減小了板面積且大大降低了設計者的設計難度，也可促進產(chǎn)品小型化、集成化的發(fā)展。

(3)應用靈活化。HKA2910可根據(jù)產(chǎn)品不同的應用環(huán)境改變芯片內(nèi)部的校準及補償參數(shù)，推動了產(chǎn)品的通用化發(fā)展。

(4)易于集成化。封裝小型化，便于與傳感器集成后形成智能傳感器，推動傳感器的智能應用。

5　結(jié)束語

阻性傳感器作為機彈載和工業(yè)控制領域最常用的一種傳感器，其采集精度直接關系到系統(tǒng)的控制精度。因此，研究如何提高該類傳感器的精度、降低誤差和溫漂是改善阻性傳感器性能的重要方面。而國產(chǎn)HKA2910芯片集成此類的功能，能夠大大降低傳感器的溫漂，改善傳感器的性能。該芯片具有自主知識產(chǎn)權，對防務及工業(yè)控制領域起到極大的支撐作用。

[1]廖曉緯，韓江洪.采用示零法的單片機控制電橋測量系統(tǒng)[J]．中國儀器儀表，2014(12).

[2]洪木南，盧文雯，李建秋.恒溫箱溫度控制器設計[J].實驗技術與管理，2010，1（27）：65-68.

[3]徐權奎，祝軻卿.電控柴油機轉(zhuǎn)速傳感器處理模塊優(yōu)化設計[J]．車用發(fā)動機，2006，3（163）：28-31.

[4]吳道悌，劉曉輝，鄭明.非電量測試技術[M]．西安：西安交通大學出版社，2006.

[5]馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術[M]．西安：西安交通大學出版社，2005.

Research of a resistive sensor conditioning and processing circuit

Hui Xiaoqiang1，2，Li Chang3，Liang Yingjian4，Yang Guanlan3
(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.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China；4.Chengdu CAIC Electronics Co.，Ltd，Chengdu 610091，China)

Resistive sensor in military and industrial control field is widely used.With the development of microelectronics technology,resistive sensor conditioning circuitry also build towards an integrated and intelligent direction from the rapid development of independent components.This paper first to domestic resistive sensors commonly used treatment methods were analyzed,and then to the current foreign resistive sensors measurement circuit are summarized,and finally introduces a new type of domestic HKA2910 resistive sensor control chip,and sums up the domestic resesrch of resistive sensor processing chip of great significance in the field of military and industrial.

sensors；signal processing；HKA2910

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.002

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

2016-03-08)

惠曉強（1978-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：航空集成電路需求和測試驗證。

李昶（1987-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：航空電子產(chǎn)品硬件設計及驗證。

梁應劍（1963-），男，本科，研究員，主要研究方向：航空電子。

楊冠蘭（1987-），女，本科，助理工程師，主要研究方向：數(shù)模混合集成電路物理設計。

中文引用格式：惠曉強，李昶，梁應劍，等.一種阻性傳感器調(diào)理及處理電路的研究[J].電子技術應用，2016，42(5)：7-9，13.

英文引用格式：Hui Xiaoqiang，Li Chang，Liang Yingjian，et al.Research of a resistive sensor conditioning and processing circuit[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(5)：7-9，13.