基于自主傳感器信號調理芯片應用解決方案*

劉敏俠，胡署凡，宣曉剛，陳　智

(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.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)

基于自主傳感器信號調理芯片應用解決方案*

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.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)

在傳感器系統(tǒng)中，為了能夠得到精確的數(shù)據(jù)，需要對傳感器信號進行補償和處理。傳感器信號調理芯片正是對傳感器信號進行調理的一種技術。在現(xiàn)有信號調理芯片的基礎上，提出了幾種信號調理芯片應用解決方案，實現(xiàn)補償校準、環(huán)路供電等功能。同時通過解決方案的幾種典型應用案例，闡述了解決方案在系統(tǒng)中的使用。與傳統(tǒng)的信號調理方法相比，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、儀表放大器等設備，從而滿足不同檔次產品的需求。

傳感器；信號調理；HKA2910

0　引言

基于半導體壓阻效應制成的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果。但由于半導體材料（硅、砷化鎵等）的本征特點，一些影響系統(tǒng)性能的問題（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的精確度。所以，傳感器的輸出信號必須進行調理和補償。傳統(tǒng)意義上的信號調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]。信號調理芯片可以把軟件和硬件補償相結合，對傳感器輸出信號進行調理。同時，通過接口對校準和補償系數(shù)進行讀寫，從而獲得補償后的傳感器輸出電壓以及傳感器的電橋電壓。信號調理芯片是一種較好的傳感器信號調理設備。

HKA2910是一種高性能、低成本的信號調理芯片，可以用于優(yōu)化過程控制中和工業(yè)上使用阻性器件的傳感器系統(tǒng)。它包含片內閃存、片內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)逼近傳感器固有的可重復能力的特點。它的純模擬信號電路在輸出信號過程中不會引入額外的噪聲（如量化噪聲等），并且利用自身所集成的 16位數(shù)模信號轉換器(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的工作狀態(tài)。HKA2910與各種芯片的接口簡單，只需要極少量的外接電阻、電容即可構成所需的實用電路，且能達到較高的線性度和精確度[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位的DAC、一個768字節(jié)(即6 144 bit)的內部存儲器、一個內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的溫度系數(shù)(Temperature Coefficient，TC)和跨度溫度系數(shù)(Full Scale Output Temperature Coefficient，F(xiàn)SOTC)產生特殊的溫度補償，既能提供高靈活性，又能降低檢測的成本。HKA2910為16引腳封裝，可提供軍溫級工作溫度范圍[3]。

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

HKA2910高精度信號傳感器的管腳排列如圖1所示，引腳描述如表1所示。

圖1　管腳排列

表1　引腳描述

HKA2910高精度傳感器信號調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)境選擇所需要的封裝類型。

2　典型應用結構

通過將HKA2910與較少的外圍元件相連接，就可以使HKA2910實現(xiàn)不同的功能。下面介紹幾種常用結構電路。

2.1MAP傳感器補償校準

在汽車電控系統(tǒng)中，通常要求 MAP（進氣歧管絕對壓力）傳感器為比例電壓輸出，可按圖2進行電路連接。在實現(xiàn)補償校準的過程中，為了實現(xiàn)HKA2910的設置以及控制功能，需要將鎖定引腳(UNLOCK)接為高電平，對數(shù)字接口（DIO接口）的雙向通信功能進行使能。自有的比例輸出結構可以提供和電源電壓值成比例的信號輸出。該輸出可應用于比例模數(shù)轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)，產生一個與電源電壓無關的數(shù)值。比例調節(jié)是電池供電設備、汽車制造等許多工業(yè)場合需考慮的重要因素[5]。圖2所示的高性能的比例輸出結構中，除HKA2910外，只需很少的外部元件。所需外部元件為：一個電源旁路電容；一個可選的輸出電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）抑制電容；2個可選電阻：RISRC和 RSTC，用于特殊類型傳感器電橋。

圖2　基本的比例輸出結構

2.2非比例工作典型電路

非比例輸出電路(12 V＜VPWR＜40 V)結構能夠使傳感器的工作電源范圍變得更寬。電路中的高性能電壓基準(如MAX 15006B)為HKA2910工作提供穩(wěn)定的基準電壓和電源，典型示例見圖3。當要求輸入電壓在寬范圍內以及系統(tǒng)ADC或讀取設備不支持比例工作時，需要非比例工作[6]。

2.34 mA～20 mA輸出的環(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，都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂苹蛘唢@示設備上。將這種物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。工業(yè)上最常采用的是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線工作制的優(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，在本質上是非比例結構[7]。利用HKA2910自身低電流損耗的特點以及其內置的通用運算放大器，可以組成一個簡單的4 mA～20 mA驅動電路，為芯片自身供電。具體電路結構如圖4所示。

圖3　基本的非比例輸出結構

圖4　基本的4 mA～20 mA輸出的環(huán)路供電結構

3　在航空系統(tǒng)中的典型應用方案

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，所以傳感器信號調理系統(tǒng)是必不可少的。本節(jié)通過對五種在航空系統(tǒng)中使用傳感器的示例來說明信號調理芯片的應用方案。

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)（飛機的航速航向、剩余油量、發(fā)動機轉速和溫度等）、位置參數(shù)（經緯度、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)的采集系統(tǒng)結構如圖5所示。被采集到的數(shù)據(jù)信號，首先被中央處理器CPU處理后存入緩存，當一個緩存區(qū)的存儲空間用盡時，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)當前采集到的數(shù)據(jù)。其中，對于模擬信號和頻率信號的采集，都需要信號調理器對信號進行初步處理。

圖5　飛行參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構

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)，為機載設備提供飛行過程中需要的高度、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)中非常重要的傳感器，對無人機的自主控制與安全飛行具有非常重要的意義?；趬毫鞲衅魉O計的空速計不但在小型和微型無人機上有著很好的應用，也在其他需要測量空速的地方發(fā)揮重要作用?？账俟堋毫苈?、動靜壓傳感器、信號調理電路等結構、元器件組成了無人機的空速系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6　空速系統(tǒng)結構

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)等多個機載設備提供所需要的飛行數(shù)據(jù)。飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)在航空電子系統(tǒng)中承擔著非常重要的任務。一種飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)的整體結構如圖7所示。

圖7　飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)

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的方式進行輸出，信號調理器通過按比例轉換的方式將電流信號轉換為電壓信號。尾氣靜電監(jiān)測系統(tǒng)中最前端的元件為靜電傳感器，它一般被安裝在發(fā)動機尾噴管處，感應到的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，高頻的噪聲干擾信號隨之產生。因此需要采用合適的濾波電路對采集的靜電信號進行濾波處理，削弱頻率較高的干擾、噪聲以及高次諧波。

圖8　尾氣靜電監(jiān)測系統(tǒng)基本原理圖

3.5發(fā)動機轉速控制系統(tǒng)

轉速控制是航空發(fā)動機控制最主要的任務，對推力的控制可以通過對轉速的控制來實現(xiàn)。在航空發(fā)動機數(shù)字化控制系統(tǒng)中，轉速傳感器所測得的轉子轉速信號往往不能直接被電子控制器所接收，需要進行信號的調理。轉速傳感器、信號調理電路、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)動機轉速控制系統(tǒng)，其主要系統(tǒng)結構框圖如圖9所示。

圖9　一種航空發(fā)動機轉速控制系統(tǒng)

4　結論

本文基于傳感器信號需要進行補償?shù)男枰?，提出了高動態(tài)范圍、高精度、低功耗、低成本的信號調理解決方案。這些方案具有優(yōu)良的技術指標以及穩(wěn)定可靠的工作性能，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的多個項目、課題中被采用，有些隨項目進行了系統(tǒng)應用驗證和測試。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，在微型化設計方面成效顯著，滿足了傳感器系統(tǒng)采集和轉換的各項技術指標要求。隨著集成傳感器信號調理系統(tǒng)越來越廣泛的應用，這些解決方案因空間利用率低、維護方便、成本低，具有明顯的技術優(yōu)勢，已成為信號調理首選設計方案[8-9]。

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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)

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.

sensor；signal conditioning；HKA2910

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.004

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）

劉敏俠（1982-），女，碩士，高級工程師，主要研究方向：模擬集成電路設計、數(shù)?；旌闲盘栯娐吩O計。

胡署凡（1986-），男，碩士，工程師，主要研究方向：大規(guī)模數(shù)模混合信號集成電路設計。

宣曉剛（1969-），男，本科，研究員，主要研究方向：飛行大氣數(shù)據(jù)傳感器系統(tǒng)、座艙顯示。

陳智（1989-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：數(shù)?；旌霞呻娐肺锢碓O計。

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理芯片應用解決方案[J].電子技術應用，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.