本應(yīng)用筆記解釋了壓阻式傳感器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有非線(xiàn)性誤差。通過(guò)使用Maxim傳感器信號(hào)調(diào)理器和變送器傳輸傳感器信息，可以將該誤差降低到傳感器固有重復(fù)性限制的1%以?xún)?nèi)。一種傳輸方法使用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)制比例輸出。與電流環(huán)路輸出一樣，PWM輸出具有良好的抗噪性，適合長(zhǎng)距離傳輸。具有MAX1452傳感器信號(hào)調(diào)理器。

介紹

當(dāng)今的大多數(shù)硅壓阻式傳感器都用于壓力傳感應(yīng)用。它們使用體微加工技術(shù)制造，通常布置為單個(gè)單片芯片上的四電阻惠斯通電橋。與集成電路一樣，傳感器價(jià)格低廉，因?yàn)樗鼈兪窃诎瑪?shù)百到數(shù)千個(gè)傳感元件的晶圓上加工的。到目前為止，這些IC傳感器中的大多數(shù)都用于汽車(chē)、消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用的中低精度要求。

眾所周知，壓阻式傳感器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有非線(xiàn)性誤差，這限制了它們?cè)诟叨耸袌?chǎng)的使用，目前由更昂貴的應(yīng)變片和其他傳感器類(lèi)型解決。校正硅壓阻式傳感器的復(fù)雜誤差通常需要大量的電子元件，但Maxim的傳感器信號(hào)調(diào)理器（MAX1450、MAX1452、MAX1455、MAX1462和MAX1464）可將這些誤差校正在傳感器固有重復(fù)性限制的1%以?xún)?nèi)。Maxim的傳感器信號(hào)調(diào)理器可制造出價(jià)格低廉的傳感器，在寬工作溫度范圍內(nèi)提供<1%的總誤差。

電流環(huán)傳感器的優(yōu)點(diǎn)

最常見(jiàn)的傳感器輸出是比例輸出（0.5V至4.5V）和電流環(huán)路輸出（4mA至20mA）。標(biāo)準(zhǔn)比率電路在整個(gè)溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償傳感器，失調(diào)為0.5V，量程為4.0V。電流環(huán)路的所需失調(diào)為4mA，所需量程為16mA，與電壓輸出傳感器相比具有若干優(yōu)勢(shì)。電流環(huán)路不需要精確穩(wěn)定的電源電壓;它們對(duì)V = IR壓降不敏感，使其適合長(zhǎng)距離傳輸;通常用于電流環(huán)路的 2 線(xiàn)雙絞線(xiàn)具有非常好的抗噪性。通過(guò)信息傳輸不需要的4mA電流遠(yuǎn)程供電。4mA失調(diào)還區(qū)分了零（4mA）和無(wú)信息（無(wú)電流）。

脈寬調(diào)制 （PWM） 提供更好的運(yùn)行效率

傳輸傳感器信息的另一種方法是使用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)制比率輸出。調(diào)制信號(hào)（VM） 是傳感器的比率輸出。在PWM配置中，所需的失調(diào)對(duì)應(yīng)于10%的占空比，跨度對(duì)應(yīng)于80%的占空比。當(dāng)傳感器的比例輸出從0.5V變?yōu)?.5V時(shí)，相應(yīng)的占空比從10%變?yōu)?0%。與電流環(huán)路輸出一樣，PWM輸出具有良好的抗噪性，適合長(zhǎng)距離傳輸。

PWM 在電池供電應(yīng)用中提供更好的運(yùn)行效率。在5V系統(tǒng)中，電流環(huán)路傳感器需要20mW至100mW的信息傳輸。當(dāng)PWM發(fā)射器連接到高阻抗節(jié)點(diǎn)時(shí)，使用PWM傳輸比率公制輸出將需要小于1mW的功率。

生成PWM信號(hào)的最簡(jiǎn)單方法是將消息信號(hào)與三角形或斜坡波形進(jìn)行比較。當(dāng)輸入大于三角波形（載波）時(shí)，產(chǎn)生的輸出為高電平，當(dāng)輸入較小時(shí)，產(chǎn)生的輸出為低電平（圖1）。因此，PWM所需的兩個(gè)基本模塊是三角波形發(fā)生器和比較器。

圖1.如圖所示配置的比較器產(chǎn)生PWM輸出。

圖2中，MAX492運(yùn)算放大器產(chǎn)生三角波形，MAX942比較器產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)。該電路的波形和相關(guān)公式如圖3所示。

圖2.這種基本配置中的三角波由雙通道運(yùn)算放大器（U1）產(chǎn)生。PWM 信號(hào)由雙通道比較器 （U2） 產(chǎn)生。

圖3.這些波形和公式說(shuō)明了圖2中電路的工作原理。

MAX492雙通道軌到擺幅運(yùn)算放大器產(chǎn)生三角波。需要軌到軌能力，因?yàn)槿遣ㄐ蔚膭?dòng)態(tài)范圍必須大于傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。積分器電路（U1-A）產(chǎn)生斜坡或負(fù)斜坡，斜率由R確定F和 CF.比較器級(jí)（U1-B）反轉(zhuǎn)斜坡的斜率，三角波形頻率由圖3中的公式給出。對(duì)于所示的元件值，斜坡頻率和PWM輸出約為500Hz。雖然圖2和圖4中未顯示，但電源端子應(yīng)包括0.1μF去耦電容。

雙通道比較器（MAX942）將斜坡波形與傳感器的模擬電壓進(jìn)行比較。該比較器具有應(yīng)用所需的軌到軌輸入范圍。R1和R2提供遲滯，確保在傳感器輸入快速變化的情況下PWM輸出的精度。U2-A 提供 PWM 輸出，U2-B 提供隔離和額外緩沖。

在完整的PWM傳感器電路（圖4）中，MAX1452信號(hào)調(diào)理器為惠斯通電橋產(chǎn)生比例補(bǔ)償輸出，然后轉(zhuǎn)換為PWM輸出。當(dāng)MAX1452輸出隨壓力變化時(shí)，PWM輸出占空比也隨之變化。注意，MAX1452可以用前面提到的任何模擬輸出、信號(hào)調(diào)理專(zhuān)用IC（ASIC）代替。

圖4.惠斯通電橋（左上）的激勵(lì)電壓與該完整PWM傳感器電路中的電源成比例。

傳感器補(bǔ)償需要精確測(cè)量PWM輸出的脈沖寬度，而用于此目的的一種儀器是具有脈沖寬度測(cè)量選項(xiàng)的頻率計(jì)數(shù)器。您還可以將PWM輸出連接到微控制器，然后使用控制器的內(nèi)部定時(shí)器計(jì)算從低到高和高到低轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間間隔。無(wú)論采用哪種方式，測(cè)得的PWM值都用于計(jì)算對(duì)信號(hào)調(diào)理IC（例如MAX1452）進(jìn)行編程所需的系數(shù)。

使用 PWM 輸出進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)

MAX1452包含16個(gè)2位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、溫度傳感器和溫度索引系數(shù)表，適用于大多數(shù)橋式傳感器的溫度補(bǔ)償和線(xiàn)性化。偏移、量程、失調(diào)TC和量程TC的參數(shù)可以通過(guò)加載具有唯一校準(zhǔn)值的四個(gè)相應(yīng)DAC來(lái)校正。量程和失調(diào)DAC中加載的值來(lái)自查找表。與上一代信號(hào)調(diào)理器中使用的<>點(diǎn)補(bǔ)償算法相比，這種溫度驅(qū)動(dòng)的查找表增加了靈活性并簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)過(guò)程。

校準(zhǔn)涉及為所有四個(gè)DAC加載對(duì)相關(guān)傳感器系列有效的標(biāo)稱(chēng)初始值。然后將傳感器設(shè)置為溫度 T1，并施加最大壓力。相應(yīng)的PWM輸出（PWMFS）使用上述方法之一進(jìn)行測(cè)量。接下來(lái)，測(cè)量最小壓力 （PWM0） 的 PWM 輸出。PWM 跨度為 PWMSpanT1 = PWMFS -PWM0。由于所需量程通常為 80%，因此可以使用以下表達(dá)式計(jì)算所需的量程 DAC 值：

IdealSpanDACT1 = CurrentSpanDAC × 80%/PWMSpanT1

然后，將失調(diào)DAC設(shè)置為獲得占空比為10%的輸出。

要獲得量程和失調(diào)DAC的值，請(qǐng)?jiān)跍囟萒2下對(duì)傳感器重復(fù)上述步驟。您可以添加更多溫度點(diǎn)（最多 114 個(gè)）以獲得更高的精度。編程多達(dá) 114 個(gè)獨(dú)立的 16 位 EEPROM 位置，可在 –1°C 至 +5°C 溫度范圍內(nèi)以 40.125°C 的增量進(jìn)行校正。（加載到查找表中的校正系數(shù)是每個(gè)DAC在每個(gè)溫度下記錄的值之間的線(xiàn)性插值。多點(diǎn)功能不僅可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的一階傳感器補(bǔ)償，還可以匹配異常的溫度曲線(xiàn)。按照上述電路的此過(guò)程，可以快速、高效地補(bǔ)償傳感器，并且補(bǔ)償其固有的重復(fù)性誤差在0.2%以?xún)?nèi)。

審核編輯：郭婷