文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.004
中文引用格式： 劉敏俠，胡署凡，宣曉剛，等. 基于自主傳感器信號調理芯片應用解決方案[J].電子技術應用，2016，42(5)：14-17.
英文引用格式： Liu Minxia，Hu Shufan，Xuan Xiaogang，et al. Application solution based on autonomic design sensor signal conditioner[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：14-17.
0 引言
基于半導體壓阻效應制成的傳感器在測量過程中需要與被測物體接觸才能得到測量結果。但由于半導體材料（硅、砷化鎵等）的本征特點，一些影響系統性能的問題（如非線性、熱靈敏度漂移、熱零點漂移和零點輸出等）普遍存在，這些問題會嚴重影響傳感器的精確度。所以，傳感器的輸出信號必須進行調理和補償。傳統意義上的信號調理方式為采用模擬電路進行校準和補償，存在很多缺點，如功耗大、費用高等[1]。信號調理芯片可以把軟件和硬件補償相結合，對傳感器輸出信號進行調理。同時，通過接口對校準和補償系數進行讀寫，從而獲得補償后的傳感器輸出電壓以及傳感器的電橋電壓。信號調理芯片是一種較好的傳感器信號調理設備。
HKA2910是一種高性能、低成本的信號調理芯片，可以用于優化過程控制中和工業上使用阻性器件的傳感器系統。它包含片內閃存、片內溫度傳感器以及純模擬信號傳輸電路。HKA2910具有信號放大、信號校準以及溫度補償等功能，其綜合工作特性可以實現逼近傳感器固有的可重復能力的特點。它的純模擬信號電路在輸出信號過程中不會引入額外的噪聲（如量化噪聲等），并且利用自身所集成的16位數模信號轉換器(Digital to Analog Converter，DAC)實現數字化校正，可專門用于控制硅壓阻傳感器的工作狀態。HKA2910與各種芯片的接口簡單，只需要極少量的外接電阻、電容即可構成所需的實用電路，且能達到較高的線性度和精確度[2]。
1 芯片特點
HKA2910包含一個可編程傳感器激勵、一個16級可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier，PGA)、4個16位的DAC、一個768字節(即6 144 bit)的內部存儲器、一個內嵌式溫度傳感器和一個通用運算放大器。除了對偏移量和跨度進行補償外，它還利用偏移量所對應的溫度系數(Temperature Coefficient，TC)和跨度溫度系數(Full Scale Output Temperature Coefficient，FSOTC)產生特殊的溫度補償，既能提供高靈活性，又能降低檢測的成本。HKA2910為16引腳封裝，可提供軍溫級工作溫度范圍[3]。
HKA2910利用集成的16位DAC對模擬信號通道的輸出信號進行數字化校正。偏移量和跨度可以校準在±0.02%滿量程之內[4]。
HKA2910高精度信號傳感器的管腳排列如圖1所示，引腳描述如表1所示。
HKA2910高精度傳感器信號調理芯片提供塑料封裝（HKA2910-LSI）與陶瓷封裝（HKA2910-LSB）兩種封裝形式，可以根據使用環境選擇所需要的封裝類型。
2 典型應用結構
通過將HKA2910與較少的外圍元件相連接，就可以使HKA2910實現不同的功能。下面介紹幾種常用結構電路。
2.1 MAP傳感器補償校準
在汽車電控系統中，通常要求MAP（進氣歧管絕對壓力）傳感器為比例電壓輸出，可按圖2進行電路連接。在實現補償校準的過程中，為了實現HKA2910的設置以及控制功能，需要將鎖定引腳(UNLOCK)接為高電平，對數字接口（DIO接口）的雙向通信功能進行使能。自有的比例輸出結構可以提供和電源電壓值成比例的信號輸出。該輸出可應用于比例模數轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)，產生一個與電源電壓無關的數值。比例調節是電池供電設備、汽車制造等許多工業場合需考慮的重要因素[5]。圖2所示的高性能的比例輸出結構中，除HKA2910外，只需很少的外部元件。所需外部元件為：一個電源旁路電容；一個可選的輸出電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）抑制電容；2個可選電阻：RISRC和RSTC，用于特殊類型傳感器電橋。
2.2 非比例工作典型電路
非比例輸出電路(12 V<VPWR<40 V)結構能夠使傳感器的工作電源范圍變得更寬。電路中的高性能電壓基準(如MAX 15006B)為HKA2910工作提供穩定的基準電壓和電源，典型示例見圖3。當要求輸入電壓在寬范圍內以及系統ADC或讀取設備不支持比例工作時，需要非比例工作[6]。
2.3 4 mA~20 mA輸出的環路電路
工業上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸到幾百米外的控制或者顯示設備上。將這種物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。工業上最常采用的是4 mA~20 mA電流來傳輸模擬量。
4 mA~20mA電流環輸出形式因其具有抗干擾性、可長距離傳輸以及傳感器2線工作制的優點對過程控制大有裨益。環路電壓可以在12 V~40 V之間，在本質上是非比例結構[7]。利用HKA2910自身低電流損耗的特點以及其內置的通用運算放大器，可以組成一個簡單的4 mA~20 mA驅動電路，為芯片自身供電。具體電路結構如圖4所示。
3 在航空系統中的典型應用方案
航空系統中不可避免地要使用大量傳感器，這些傳感器往往處于高速、低壓甚至輻射環境下，所以傳感器信號調理系統是必不可少的。本節通過對五種在航空系統中使用傳感器的示例來說明信號調理芯片的應用方案。
3.1 飛行參數數據采集系統
飛行參數數據一般是指飛機狀態參數（飛機的航速航向、剩余油量、發動機轉速和溫度等）、位置參數（經緯度、高度和時間等）、滑油壓力和溫度等。飛行參數數據通常由飛機傳感器獲得，信號格式主要有模擬信號、數字信號和頻率信號三類，飛行參數的采集系統結構如圖5所示。被采集到的數據信號，首先被中央處理器CPU處理后存入緩存，當一個緩存區的存儲空間用盡時，數據通過高速總線打包傳輸至數據記錄器，并清空緩存，同時另一個緩存區存儲采集系統當前采集到的數據。其中，對于模擬信號和頻率信號的采集，都需要信號調理器對信號進行初步處理。
3.2 空速系統
空速系統是一種測量系統，主要用來測量空氣總溫、靜壓和總壓等參數，為機載設備提供飛行過程中需要的高度、高度差、高度變化率、靜壓、動壓、溫度、真空速、指示空速、空氣密度等必要信息?？账儆嬜鳛闊o人機系統中非常重要的傳感器，對無人機的自主控制與安全飛行具有非常重要的意義?；趬毫鞲衅魉O計的空速計不但在小型和微型無人機上有著很好的應用，也在其他需要測量空速的地方發揮重要作用。空速管、壓力管路、動靜壓傳感器、信號調理電路等結構、元器件組成了無人機的空速系統，如圖6所示。
3.3 飛行姿態指示系統
飛行姿態指示系統是一種儀表系統，用來指示和測量飛機姿態。它為近地警告系統、雷達系統和飛行控制系統等多個機載設備提供所需要的飛行數據。飛行姿態指示系統在航空電子系統中承擔著非常重要的任務。一種飛行姿態指示系統的整體結構如圖7所示。
3.4 發動機尾氣監測系統
發動機尾氣監測系統（如圖8所示）采用靜電傳感器對尾氣中帶電顆粒進行監測。這個傳感器采用電流信號的方式進行輸出，信號調理器通過按比例轉換的方式將電流信號轉換為電壓信號。尾氣靜電監測系統中最前端的元件為靜電傳感器，它一般被安裝在發動機尾噴管處，感應到的信號一般頻率較低并且強度較弱。在氣路高溫環境中，因為有大量電磁場和噪聲等干擾因子，高頻的噪聲干擾信號隨之產生。因此需要采用合適的濾波電路對采集的靜電信號進行濾波處理，削弱頻率較高的干擾、噪聲以及高次諧波。
3.5 發動機轉速控制系統
轉速控制是航空發動機控制最主要的任務，對推力的控制可以通過對轉速的控制來實現。在航空發動機數字化控制系統中，轉速傳感器所測得的轉子轉速信號往往不能直接被電子控制器所接收，需要進行信號的調理。轉速傳感器、信號調理電路、主燃油活門控制器以及電子控制器幾大部分組成了航空發動機轉速控制系統，其主要系統結構框圖如圖9所示。
4 結論
本文基于傳感器信號需要進行補償的需要，提出了高動態范圍、高精度、低功耗、低成本的信號調理解決方案。這些方案具有優良的技術指標以及穩定可靠的工作性能，并且具有集成化、模塊化等特點。這些解決方案已在多家單位的多個項目、課題中被采用，有些隨項目進行了系統應用驗證和測試。采用這些方案后，傳感器采集信號性能穩定、可靠性高，系統精度顯著提高，功耗極大降低，功能密度大幅提高，在微型化設計方面成效顯著，滿足了傳感器系統采集和轉換的各項技術指標要求。隨著集成傳感器信號調理系統越來越廣泛的應用，這些解決方案因空間利用率低、維護方便、成本低，具有明顯的技術優勢，已成為信號調理首選設計方案[8-9]。
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