基于信號調理芯片實(shí)現橋式傳感器高精度校準

摘要：壓力傳感器是現實(shí)生活中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業(yè)控制，汽車(chē)電子，醫療設備，本文主要針對應變電阻惠斯通電橋式傳感器的生產(chǎn)標定做出簡(jiǎn)要說(shuō)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誤之處給予批評指正。

傳感器特性

圖1為直流電橋，當前輸出電阻無(wú)限大時(shí)，則前橋的輸出可簡(jiǎn)化如下：

圖2(左)為xxx型壓力傳感器輸出特性曲線(xiàn)。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)際應用中我們往往期望傳感器輸出與溫度無(wú)關(guān)且線(xiàn)性，如圖2(右)。受限于MEMS設計制作工藝、材料物理特性等，MEMS傳感器本身很難達到理想要求，實(shí)際應用中往往需在MEMS后端加入信號調理芯片對其進(jìn)行校準。

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(xiàn)性(Nonlinearity)。其中零點(diǎn)漂移(offset)和靈敏度(Sensitivity)均受溫度影響，即體現為溫度系數?？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(xiàn)性(Nonlinearity)，零點(diǎn)漂移(offset)，靈敏度漂移(Sensitivity)進(jìn)行描述。

符號說(shuō)明：

Vout:引入溫漂、非線(xiàn)性后的傳感器輸出

V0：非線(xiàn)性擬合多項式展開(kāi)基準點(diǎn)

kn：n階非線(xiàn)性系數

Tstand：多項式擬合溫度基準點(diǎn)

tcn：零點(diǎn)漂移(offset)n階溫度系數

tsn：靈敏度(Sensitivity)n階溫度系數

信號調理芯片介紹

傳感器信號調理芯片通?？梢蕴峁η岸藗鞲衅鞑杉瘮祿M(jìn)行放大、校準和溫度補償的功能，從而使得傳感器器件具有穩定可靠進(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理芯片外，傳統方案也可以使用外圍分立電路來(lái)實(shí)現傳感器的校準與標定，但效率低下，且效果依賴(lài)于人工與經(jīng)驗，不適于規模生產(chǎn)。而通過(guò)信號調理芯片的使用，能夠免除手工校準的繁雜工作，并且提高傳感器器件的可靠性。常見(jiàn)的橋式信號調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(lái)本文將以NSA2300為例介紹信號調理芯片對傳感器進(jìn)行校準的相關(guān)說(shuō)明。NSA2300為一款專(zhuān)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、放大和校準的傳感器接口芯片，可以用于壓力傳感器調理，磁傳感器調理，各類(lèi)應變式傳感器接口等。NSA2300可為傳感器提供零點(diǎn)偏移及其溫度補償，靈敏度及其溫度補償以及非線(xiàn)性補償，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數字輸出和模擬輸出，并可通過(guò)復用模擬輸出引腳(AOUT)進(jìn)行單線(xiàn)數字通訊(OWI)。

主要性能指標：

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、校準精度：0.05%FSO (同時(shí)支持二階溫度系數、三階非線(xiàn)性校準)

6、超快轉換時(shí)2ms@OSR =1024X

7、支持休眠工作模式，大幅減輕MCU負擔

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(xiàn)編程(復用模擬輸出引腳)

圖3NSA2300系統框圖

NSA2300校準原理：

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