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,，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)行飛行氣動參數(shù),、液壓、油壓等系統(tǒng)測量,。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會發(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量精度^[1-2],。

    針對傳統(tǒng)阻性傳感器補償方法^[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),，通過補償校準(zhǔn)和擬合算法確定工作溫度范圍內(nèi)的所有溫度補償參數(shù)，實現(xiàn)了對壓阻傳感器溫度漂移的高精度補償,，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

    HKA2910結(jié)構(gòu)包含一個可編程傳感器激勵,、一個16級可編程增益放大器(PGA),、一個768字節(jié)(6144位)內(nèi)部FLASH,，四個16位DAC、一個通用的運算放大器以及一個內(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、16位∑-Δ型D/A 轉(zhuǎn)換電路和16級可編程增益放大器做詳細(xì)說明,。

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。溫度檢測電路是檢測芯片內(nèi)部溫度并產(chǎn)生一個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)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的處理，輸出與溫度相關(guān)的數(shù)字信號,。

該電路采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對寬溫范圍(-70 ℃~185 ℃)的電壓信號進(jìn)行加權(quán)計算,，將兩種不同溫度特性和參數(shù)的輸入電壓轉(zhuǎn)換成與溫度一一對應(yīng)的數(shù)字信號。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)是通過采用通信中的∑-Δ調(diào)制器來達(dá)到在數(shù)字域進(jìn)行高精度的信號處理,，在模擬域進(jìn)行低精度信號處理,，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)的模擬電路相對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器而言比較簡單,，迎合了VLSI技術(shù)的特點,，故其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴大。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)中得到運用,。

    芯片集成了4個16位∑-Δ型D/A轉(zhuǎn)換電路，目的是將數(shù)字補償量轉(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）主要實現(xiàn)傳感器輸出INP和INM的差分信號可編程增益放大功能,，并完成輸出信號的偏移量補償。

    PGA原理結(jié)構(gòu)如圖4所示,。電路采用全差分對稱開關(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,、實現(xiàn)偏移量補償?shù)木幊淘鲆娣糯笃骱碗p端至單端轉(zhuǎn)換電路,。第一級實現(xiàn)固定增益放大和OFFSET的粗調(diào)IRO，其中IRO采用簡單的3 bit DAC實現(xiàn)偏移量的補償,。第二級采用可編程增益放大,，通過調(diào)節(jié)輸入電容的大小達(dá)到增益的調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)OFFSET和OFFSET TC的偏移量補償,。第三級實現(xiàn)雙端到單端的轉(zhuǎn)換,，輸出運放采用了軌對軌的輸出結(jié)構(gòu)，提高了PGA的輸出擺幅,。

1.4 物理設(shè)計

    物理設(shè)計在選定工藝的基礎(chǔ)上,，遵循工藝設(shè)計原則，按照系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行布局,，依據(jù)仿真結(jié)果對版圖進(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證,，同時進(jìn)行了可靠性驗證,。

    各電路模塊的擺放考慮到信號的傳輸路徑、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，三級通路按照信號流向放置,，ADC,、DAC、CLK等模塊則根據(jù)信號流向,、信號線的長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)計如圖5所示,。

2 芯片測試

    利用HKA2910芯片對一款壓力傳感器進(jìn)行補償校準(zhǔn),，測試校準(zhǔn)平臺如圖6所示，包括電源,、試驗溫箱,、壓力裝置和測試板卡。原始壓力傳感器的偏移量和滿量程在整個溫度范圍內(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30%。

    在-60 ℃,、-25 ℃,、20 ℃,、70 ℃和150 ℃對壓力傳感器進(jìn)行補償,，補償數(shù)據(jù)如表1所示。全溫度范圍的補償數(shù)據(jù)在測得的5個溫度點補償數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上由軟件算法得出,，并將這些補償數(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)的測量精度達(dá)到0.2%。

    補償后傳感器的偏移量和滿量程在整個溫度范圍內(nèi)的特性曲線如圖8所示,，經(jīng)過補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)對比如表2所示。

    本文設(shè)計的高精度傳感器信號調(diào)理芯片采用智能化的溫度補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，在-55 ℃~150 ℃溫度范圍內(nèi)補償精度可達(dá)到0.2%,，單芯片實現(xiàn)高精度補償，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)控制測量,、家電（電壓力鍋）和消費類電子等領(lǐng)域,。

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