0 引言

    在機(jī)彈載設(shè)備和工業(yè)控制領(lǐng)域中，有大量的測(cè)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(duì)應(yīng)的電阻，測(cè)量設(shè)備或計(jì)算機(jī)通過(guò)測(cè)量電阻，即可計(jì)算推導(dǎo)出相對(duì)應(yīng)的物理量。本文從阻性傳感器的功能原理出發(fā)對(duì)常用阻性傳感器處理電路進(jìn)行對(duì)比分析，最后介紹一種新型的國(guó)產(chǎn)阻性傳感器芯片HKA2910，歸納總結(jié)出國(guó)產(chǎn)阻性傳感器的使用優(yōu)勢(shì)及國(guó)防意義。

1 阻性傳感器處理電路實(shí)現(xiàn)的功能

    一般阻性傳感器處理電路主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

    (1)信號(hào)放大功能。傳感器在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)電阻阻值變化獲得的測(cè)量信號(hào)及其微弱，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后才利于后端計(jì)算機(jī)采集。

    (2)校準(zhǔn)及補(bǔ)償功能。傳感器在采集數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)受外部環(huán)境變化的影響，所獲得的測(cè)量信號(hào)會(huì)發(fā)生偏移，不能準(zhǔn)確地表觀測(cè)量數(shù)據(jù)的變化特性，通過(guò)校準(zhǔn)和補(bǔ)償功能可將外部環(huán)境帶來(lái)的影響弱化，確保傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

    (3)A/D轉(zhuǎn)換采集功能。采集計(jì)算機(jī)通過(guò)A/D對(duì)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，A/D的轉(zhuǎn)換速率和位數(shù)范圍決定傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)的精確性及實(shí)時(shí)性。

2 國(guó)內(nèi)阻性傳感器調(diào)理接口電路的原理及實(shí)現(xiàn)

    阻性傳感器的自動(dòng)測(cè)量，從理論上說(shuō)有恒流源測(cè)量法和惠斯通電橋法兩種。下面分別對(duì)兩種處理方法進(jìn)行描述。

2.1 恒流源測(cè)量法

    恒流源測(cè)量法是通過(guò)在傳感器中增加電阻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體原理為：傳感器中增加測(cè)量電阻，并在測(cè)量電阻兩端加上恒定電流的激勵(lì)，電阻兩端會(huì)產(chǎn)生電壓，該電壓隨著被測(cè)電阻的變化而變化。測(cè)量電壓通過(guò)歐姆定律：R=U/I，可以計(jì)算出電阻R的值，然后通過(guò)被測(cè)物理量與電阻R的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)一步計(jì)算出被測(cè)物理量。其測(cè)試原理框圖見(jiàn)圖1。

2.1.1 恒流源產(chǎn)生電路

    為了減小電流流過(guò)被測(cè)電阻產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致被測(cè)電阻阻值的變化，設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量減小流過(guò)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(yùn)放和高精度電阻組成，其原理圖見(jiàn)圖2。

    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(jì)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(jìn)而影響電阻R的測(cè)量，因此，一般選擇高精度的金屬膜電阻。

2.1.2 電壓測(cè)量電路功能原理

    計(jì)算機(jī)內(nèi)的電壓測(cè)量電路是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵，在調(diào)理電路前要進(jìn)行共模和差模濾波，減小系統(tǒng)中的高頻干擾。為了增大測(cè)量電路的輸入阻抗，減小測(cè)量電路對(duì)被測(cè)電路中電流的分流，輸入放大器選用儀表運(yùn)放進(jìn)行電壓放大，之后經(jīng)過(guò)多路器選擇，A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)隔離驅(qū)動(dòng)連接計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線^[4]。測(cè)量電路功能組成如圖3所示。

    恒流源法測(cè)量電阻的優(yōu)點(diǎn)是恒流源激勵(lì)電流產(chǎn)生簡(jiǎn)單，被測(cè)電阻值與采集的電壓是線性關(guān)系；缺點(diǎn)是為了去除掉激勵(lì)電流線纜上的阻抗，一般要用四線測(cè)量法，導(dǎo)致所用線纜較多，增加了系統(tǒng)的重量；同時(shí)激勵(lì)電流又不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致傳感器自發(fā)熱，增大誤差。

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(cè)電阻與其他輔助的三個(gè)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(cè)量中間兩點(diǎn)的電壓，可以計(jì)算推斷被測(cè)電阻的阻值。

    被測(cè)電阻與輸出電壓之間的關(guān)系為：

    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(diǎn)電壓U_o與傳感器的電阻的變化量成正比，計(jì)算機(jī)測(cè)量U_o，通過(guò)計(jì)算可得ΔR，從而得到所測(cè)物理量的值。

    惠斯通電橋可以很容易地對(duì)被測(cè)傳感器進(jìn)行測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)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(jì)算機(jī)內(nèi)；缺點(diǎn)是整個(gè)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(chǎng)，環(huán)境往往比較惡劣，其溫度可以從-50 ℃～70 ℃，被測(cè)傳感器的電阻阻值不僅隨被測(cè)物理量的變化而變，也會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)溫度的影響，導(dǎo)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(guān)鍵^[2]。

    解決溫漂問(wèn)題的方法是將整個(gè)電橋搭建在傳感器內(nèi)，然后在傳感器內(nèi)設(shè)置溫度傳感器，對(duì)電橋在每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行電壓漂移標(biāo)定，然后將標(biāo)定值記錄在存儲(chǔ)器中，傳感器在使用中，通過(guò)疊加校正電壓，在電橋中點(diǎn)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(guò)分立器件搭建電路，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)比較復(fù)雜，成本比較高。

3 國(guó)外對(duì)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(yīng)用于機(jī)載設(shè)備和工業(yè)控制領(lǐng)域。MAX1452具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能，其綜合工作特性可以逼近傳感器所固有的可重復(fù)能力。其全模擬信號(hào)通道在輸出信號(hào)中不會(huì)引入量化噪聲，并利用集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化校正。利用16位DAC對(duì)信號(hào)的偏移量和跨度校準(zhǔn)，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(lái)，隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的元器件研制單位也競(jìng)相研制此類(lèi)復(fù)雜的傳感器調(diào)理芯片，HKA2910芯片已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，其功能類(lèi)似于MAX1452。下面以HKA2910為例介紹該類(lèi)芯片。

4.1 HKA2910芯片介紹

    HKA2910是一種高度集成的模擬傳感器信號(hào)處理器，芯片內(nèi)集成有一個(gè)可編程傳感器激勵(lì)、一個(gè)16 級(jí)可編程增益放大器(PGA)、一個(gè)內(nèi)部Flash，4個(gè)16位DAC、一個(gè)通用的運(yùn)算放大器以及一個(gè)內(nèi)嵌的溫度傳感器。除偏移量和跨度補(bǔ)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(dú)特的溫度補(bǔ)償，在提供高度靈活性的同時(shí)降低了檢測(cè)成本。HKA2910功能組成原理圖見(jiàn)圖5。

    HKA2910是一種高度集成的模擬傳感器信號(hào)處理器，其具有以下功能特性：

    (1)具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能；

    (2)適應(yīng)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(zhǔn)精度；

    (4)內(nèi)嵌查找表，支持多點(diǎn)校準(zhǔn)的溫度修正；

    (5)支持電壓橋和電流橋激勵(lì)；

    (6)150 μs快速階躍響應(yīng)；

    (7)內(nèi)嵌通用運(yùn)算放大器；

    (8)安全鎖防止數(shù)據(jù)破壞。

4.2 HKA2910應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

    HKA2910主要應(yīng)用于壓力傳感器、變送器、應(yīng)變儀、壓力校準(zhǔn)與控制器、阻性元件傳感器、加濕計(jì)及濕度傳感器等領(lǐng)域的信號(hào)調(diào)理。

    HKA2910與阻性傳感器結(jié)合，通過(guò)電橋形成一個(gè)能夠?qū)仄M(jìn)行補(bǔ)償?shù)母呔葌鞲衅?，其精度可以達(dá)到0.2%，整個(gè)傳感器只需要電源線、地線和信號(hào)輸出三根線，內(nèi)置HKA2910的傳感器輸出原理圖見(jiàn)圖6。新的傳感器在出廠前通過(guò)專(zhuān)用軟件進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，校準(zhǔn)值儲(chǔ)存在內(nèi)置的Flash中，使用過(guò)程中。芯片自動(dòng)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(jìn)行采集即可。

    在控制及監(jiān)控領(lǐng)域使用HKA2910具有以下優(yōu)勢(shì)：

    (1)自主國(guó)產(chǎn)化。自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)可保證產(chǎn)品生產(chǎn)中無(wú)器件斷檔禁運(yùn)造成的生產(chǎn)終止風(fēng)險(xiǎn)。

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

    (3)應(yīng)用靈活化。HKA2910可根據(jù)產(chǎn)品不同的應(yīng)用環(huán)境改變芯片內(nèi)部的校準(zhǔn)及補(bǔ)償參數(shù)，推動(dòng)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(dòng)傳感器的智能應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

    阻性傳感器作為機(jī)彈載和工業(yè)控制領(lǐng)域最常用的一種傳感器，其采集精度直接關(guān)系到系統(tǒng)的控制精度。因此，研究如何提高該類(lèi)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(guó)產(chǎn)HKA2910芯片集成此類(lèi)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(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)防務(wù)及工業(yè)控制領(lǐng)域起到極大的支撐作用。

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