0 引言

    阻性傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、頻率響應(yīng)范圍寬、易于小型化、便于批量生產(chǎn)與使用方便等特點(diǎn)，是一種發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的新型傳感器，多用于航空惡劣環(huán)境中進(jìn)行飛行氣動(dòng)參數(shù)、液壓、油壓等系統(tǒng)測(cè)量。但是由于傳感器材料的溫度特性，壓阻傳感器在不同溫度下使用時(shí)會(huì)發(fā)生溫度漂移，且存在非線性輸出的問題，在很大程度上影響了壓阻傳感器的測(cè)量精度^[1-2]。

    針對(duì)傳統(tǒng)阻性傳感器補(bǔ)償方法^[3-6]存在的不足，本文提出了一種新型單芯片智能化的補(bǔ)償思路和方案，該方法利用集成電路技術(shù)，將溫度傳感器、16位∑-Δ型D/A轉(zhuǎn)換器和可編程增益放大等復(fù)雜電路集成于單顆芯片。以此芯片構(gòu)建的傳感器系統(tǒng)，通過(guò)補(bǔ)償校準(zhǔn)和擬合算法確定工作溫度范圍內(nèi)的所有溫度補(bǔ)償參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓阻傳感器溫度漂移的高精度補(bǔ)償，滿足了航空電子傳感器系統(tǒng)高集成度、低功耗、小型化、高精度的發(fā)展需求。

1 芯片設(shè)計(jì)

    HKA2910結(jié)構(gòu)包含一個(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)768字節(jié)(6144位)內(nèi)部FLASH，四個(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，原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面就溫度傳感器設(shè)計(jì)、16位∑-Δ型D/A 轉(zhuǎn)換電路和16級(jí)可編程增益放大器做詳細(xì)說(shuō)明。

1.1 寬溫范圍CMOS溫度傳感器電路

    集成溫度傳感器主要由溫度檢測(cè)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路構(gòu)成，如圖2所示。溫度檢測(cè)電路是檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度并產(chǎn)生一個(gè)與溫度成比例的電壓值，該電壓值被送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的處理，輸出與溫度相關(guān)的數(shù)字信號(hào)。

該電路采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)寬溫范圍(-70 ℃~185 ℃)的電壓信號(hào)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，將兩種不同溫度特性和參數(shù)的輸入電壓轉(zhuǎn)換成與溫度一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。利用CMOS的寬溫度特性和電路加權(quán)處理得到穩(wěn)定的溫度解析度，將感溫元件和先進(jìn)計(jì)算電路集成在同一芯片上，僅需較小的面積和功耗，就能達(dá)到穩(wěn)定溫度精度輸出的目的。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溫度范圍廣且精度高。

1.2 16位∑-Δ型D/A 轉(zhuǎn)換電路

    ∑-Δ型D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)是通過(guò)采用通信中的∑-Δ調(diào)制器來(lái)達(dá)到在數(shù)字域進(jìn)行高精度的信號(hào)處理，在模擬域進(jìn)行低精度信號(hào)處理，從而獲得整體性能優(yōu)越且易于集成的一種新型D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)。由于這種D/A結(jié)構(gòu)的模擬電路相對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器而言比較簡(jiǎn)單，迎合了VLSI技術(shù)的特點(diǎn)，故其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。除了作為獲得高精度 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要手段外，它也作為重要的接口技術(shù)在許多集成電子系統(tǒng)中得到運(yùn)用。

    芯片集成了4個(gè)16位∑-Δ型D/A轉(zhuǎn)換電路，目的是將數(shù)字補(bǔ)償量轉(zhuǎn)換為模擬量，主要由插值濾波器、∑-Δ調(diào)制器、低位D/A轉(zhuǎn)換器和模擬低通濾波器四部分組成。其原理框圖如圖3所示。

1.3 可編程增益放大器

    PGA（Programmable Gain Amplifier）主要實(shí)現(xiàn)傳感器輸出INP和INM的差分信號(hào)可編程增益放大功能，并完成輸出信號(hào)的偏移量補(bǔ)償。

    PGA原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。電路采用全差分對(duì)稱開關(guān)電容電路結(jié)構(gòu)，用于消除偶次諧波失真，降低通路的噪聲?？删幊淘鲆娣糯蠛碗娐分饕扇糠纸M成，分別是固定增益開關(guān)電容放大器、實(shí)現(xiàn)偏移量補(bǔ)償?shù)木幊淘鲆娣糯笃骱碗p端至單端轉(zhuǎn)換電路。第一級(jí)實(shí)現(xiàn)固定增益放大和OFFSET的粗調(diào)IRO，其中IRO采用簡(jiǎn)單的3 bit DAC實(shí)現(xiàn)偏移量的補(bǔ)償。第二級(jí)采用可編程增益放大，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電容的大小達(dá)到增益的調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)OFFSET和OFFSET TC的偏移量補(bǔ)償。第三級(jí)實(shí)現(xiàn)雙端到單端的轉(zhuǎn)換，輸出運(yùn)放采用了軌對(duì)軌的輸出結(jié)構(gòu)，提高了PGA的輸出擺幅。

1.4 物理設(shè)計(jì)

    物理設(shè)計(jì)在選定工藝的基礎(chǔ)上，遵循工藝設(shè)計(jì)原則，按照系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行布局，依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)版圖進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使用數(shù)模混合工具進(jìn)行整體芯片的全溫范圍下性能驗(yàn)證，同時(shí)進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。

    各電路模塊的擺放考慮到信號(hào)的傳輸路徑、模擬電路和數(shù)字電路隔離等一系列要求。版圖分為模擬和數(shù)字兩個(gè)部分，數(shù)字部分及IP Core放置于版圖下端，模擬部分放置于版圖上端，中間加有相應(yīng)的隔離。PGA模塊置于模擬部分的中心，三級(jí)通路按照信號(hào)流向放置，ADC、DAC、CLK等模塊則根據(jù)信號(hào)流向、信號(hào)線的長(zhǎng)度及輸出端口定義的位置等要求作了最佳選擇的放置。模塊間采用了雙層ring隔離。管芯尺寸2 mm×2 mm，整體芯片物理設(shè)計(jì)如圖5所示。

2 芯片測(cè)試

    利用HKA2910芯片對(duì)一款壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，測(cè)試校準(zhǔn)平臺(tái)如圖6所示，包括電源、試驗(yàn)溫箱、壓力裝置和測(cè)試板卡。原始?jí)毫鞲衅鞯钠屏亢蜐M量程在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的特性曲線如圖7所示，其中輸出電壓量程僅有30 mV，偏移量和滿量程的溫度漂移最大超過(guò)30%。

    在-60 ℃、-25 ℃、20 ℃、70 ℃和150 ℃對(duì)壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償數(shù)據(jù)如表1所示。全溫度范圍的補(bǔ)償數(shù)據(jù)在測(cè)得的5個(gè)溫度點(diǎn)補(bǔ)償數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上由軟件算法得出，并將這些補(bǔ)償數(shù)據(jù)寫入芯片內(nèi)置Flash。校準(zhǔn)后傳感器在-55 ℃~150 ℃溫度范圍內(nèi)的測(cè)量精度達(dá)到0.2%。

    補(bǔ)償后傳感器的偏移量和滿量程在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的特性曲線如圖8所示，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后傳感器的精度極大提高，偏移量和滿量程在-55 ℃~150 ℃溫度范圍內(nèi)提升到了0.2%以內(nèi)，最終傳感器在壓力范圍內(nèi)輸出電壓為0.5 V~4.5 V，且線性度良好。

    與同類傳感器調(diào)理芯片ZSC31050參數(shù)對(duì)比如表2所示。

    本文設(shè)計(jì)的高精度傳感器信號(hào)調(diào)理芯片采用智能化的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在-55 ℃~150 ℃溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償精度可達(dá)到0.2%，單芯片實(shí)現(xiàn)高精度補(bǔ)償，提高了軍用電子傳感器系統(tǒng)的精度與可靠性。該芯片不僅在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，也可推廣至汽車電子、工業(yè)控制測(cè)量、家電（電壓力鍋）和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛軍，紀(jì)敦，李猛，等．飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)的采集與預(yù)處理.系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理[J]．?dāng)?shù)據(jù)采集與處理，2009，24(4)：315-3l7．

[2] 周鳴爭(zhēng)，楚寧，周濤，等.一種基于能量約束的傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2007(3)：172-175.

[3] 劉慧，唐勝武，簡(jiǎn)榮坤.基于軟件補(bǔ)償算法的溫度壓力場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2011（6）：39-45.

[4] 張有鳳，王欽若，張慧.基于壓力檢測(cè)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(4)：55-58.

[5] 凌振寶，王軍，張瑞鵬.基于非晶態(tài)合金感應(yīng)式傳感器補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2003（6）：208-212.

[6] 朱旭，張世中，胡哲.感應(yīng)式磁傳感器的補(bǔ)償電路[J].物探與化探，2012(12)：970-974.