采用四DAC信号调理架构的传感器温度补偿

来源：analog 发布时间：2023-12-21

摘要： 具有集成电路结构的温度补偿电阻压力传感器，用于低成本的汽车和工业传感器。

自20世纪80年代初以来，电阻元件压力传感器，最著名的是惠斯通电桥配置的压阻器件，在中低精度压力传感器行业占据主导地位。这些装置测量误差的主要来源是灵敏度和输出偏置随温度的变化。信号调理和校准提供更高的精度和更低的成本。对于这一基本要求，最有效的解决方案之一是使用四个数字转换器(dac)提供必要的温度校正的路径调理架构。压阻式传感器增益的温度敏感性来源于热灵敏度系数(TCS)和热电阻系数(TCR)。TCS效应是由传感器在温度上的尺寸和刚度变化引起的。TCS通常为负(灵敏度随温度升高而降低)。TCR描述了传感器电桥电阻随温度的变化，通常为正。大多数电阻元件传感器的设计是为了充分利用这两个热系数的相反符号。其目的是生产一种TCS略低于TCR量级的传感器。这导致传感器，当从恒流源驱动;表现出大大降低的总温度灵敏度，并允许外部温度补偿容易应用。

电阻元件传感器和四DAC补偿架构

自20世纪80年代初以来，电阻元件传感器，最著名的是惠斯通电桥配置的压阻器件，在中低精度压力传感行业占据主导地位。

这些装置测量误差的主要来源是灵敏度和输出偏置随温度的变化。信号调理和校准提供更高的精度和更低的成本。对于这一基本要求，最有效的解决方案之一是使用四个数字转换器(dac)提供必要的温度校正的路径调理架构。

压阻式传感器增益中的温度灵敏度来源于热灵敏度系数(TCS)和热电阻系数(TCR)。TCS效应是由传感器在温度上的尺寸和刚度变化引起的。TCS始终为负(灵敏度随温度升高而降低)。TCR描述了传感器电桥电阻随温度的变化，通常为正。

大多数电阻元件传感器的设计是为了充分利用这两个热系数的相反符号。其目的是生产一种TCS略低于TCR量级的传感器。这导致了一个传感器，当从恒流源驱动时，显示出一个大大降低的总温度灵敏度，并允许外部温度补偿很容易应用。结果情况如图1所示，其中包含了电桥电阻(R(b))和压力灵敏度的归一化温度响应。这两个响应的斜率表示传感器的TCR和TCS特性。图1中的第三条曲线表示平衡灵敏度曲线并产生增益温度系数为零的传感器所需的传感器桥电压(V(b))的理想响应。

图1所示。传感器桥电阻和压力灵敏度的归一化响应。

作用于电桥驱动电流的调理电路的第一个任务是产生如图1所示的理想V(b)曲线。第二个条件要求是产生一个平衡传感器输出偏置行为的信号。电阻桥式传感器通常表现出输出偏置行为，可以用固定分量加温度相关分量来描述。这两个分量都可以通过将偏移量加到信号路径中进行校正。其中一个偏置元件应具有固定值，而第二个偏置元件应具有温度特性，这与传感器偏置温度相关元件的特性相反。满足这些要求的四路DAC系统如图2所示。

图2。系统的数字到转换器的温度补偿电阻元件传感器，如发现在MAX1452和类似的设备。

在图2所示的系统中，Span DAC和SpanTC DAC结合起来对桥电压V(b)提供必要的修改。Span DAC从正供电轨V(DD)中获取参考，从而提供与V(DD)的比例输出，与温度无关。SpanTC DAC参考桥电压V(b)，因此具有与温度相关的输出(因为V(b)与温度相关)。由此得到的电桥电压响应特性为式1所示的形式。

地点:
Span =跨度DAC值，取值范围为0 ~ 1
SpanTC = SpanTC的DAC值，取值范围0 ~ 1
K(1) =任意常数
K(3) =任意常数
R(b) =传感器电桥电阻
V(DD) =调节器IC供电电压

对传感器输出偏置特性的补偿由偏置DAC和OTC DAC提供。与Span和SpanTC dac一样，失调校正dac被安排为提供固定(参考V(DD))和温度相关(参考桥电压)输出。偏置和OTC dac提供的输出是其参考电压的正负部分。由这些偏移校正dac提供的对图2系统输出的修改，其形式如公式2所示。

地点:
Offset = DAC的偏移值，范围为0到±1
OTC = OffsetTC DAC值，取值范围0 ~±1
K(2) =任意常数
K(4) =任意常数
R(b) =传感器电桥电阻
V(b) =传感器电桥电压
V(DD) =调节器IC供电电压

使用图2的调节架构实现一阶校准

使用四个DAC架构，几乎任何压阻桥式压力传感器都可以在整个工作温度范围内校准到一阶配合。一阶定值校准的目标是为补偿系统中的四个dac中的每一个找到唯一的校准值。这些是产生图1所示的所需桥电压响应和校正传感器偏移响应所需的值。这是通过简单的两个温度，两个压力校准来实现的。

跨度补偿

校准过程的第一部分处理传感器的跨距补偿，并涉及修改传感器桥电压响应。所采用的方法需要在每个温度下确定理想的电桥电压值。然后在每个温度下找到Span和SpanTC dac的成对值以及相应的桥电压值。所产生的电桥电压值应接近当前温度下的理想电桥电压值。应避免在每个温度下的V(b)值完全匹配。这是因为结果方程集的数学解是矩阵形式的，并且在使用相同的V(b)值的情况下将生成一个奇异矩阵。

该过程从第一个校准温度(T1)开始，通过测量Span和SpanTC DAC寄存器的标称值并测量桥电压和调节器IC输出跨距。在此温度下所需的电桥电压值可由式3中的表达式计算。

然后选择SpanTC DAC的三个值(β11， β12， β13)并依次加载到SpanTC DAC寄存器。对于每个SpanTC DAC设置一个相应的Span值

DAC (α)确定产生近似等于所需V(b)值的电桥电压。

在T1下完成测量后，将测试室温度更改为第二个校准温度(T2)，并重复该过程。图3说明了该过程以及在每个温度下所需的测量。

图3。在一阶，固定值，量程校准期间所需的DAC设置和测量。

Span校正过程是通过计算Span (α)和SpanTC (β)，并将它们连接到各自的信号调理寄存器。所需的计算如图4所示。

图4。确定Span和SpanTC值所需的矩阵计算。X1, X2, Y1, Y2, Z1和Z2是中间系数。

偏移补偿

图5显示了使用四个dac的完整的一阶校准测量系统。图5中括号中显示的测量值是为传感器执行偏移补偿所需的测量值。当温度为T1时，对传感器施加最小压力，调整失调DAC以产生大约等于所需零输出的输出电压。在校准的这个阶段，OTC DAC通常被设置为零。调整偏移DAC后，偏移DAC (γ1)， OTC DAC (得尔塔1)，输出电压(V(OUT)1)和桥电压(V(b)1)记录下来供以后使用。

图5。DAC设置和测量需要一个完整的一阶，固定值，校准。

在完成量程校准后，在温度为T2并对传感器施加最小压力的情况下，Offset和OTC DAC寄存器加载值γT1时的得尔塔1和得尔塔1。测量并记录输出电压V(OUT)2的结果值和桥电压V(b)2的电流值。然后调整OTC DAC以产生公式4所示的输出电压值。

偏移校准是通过调整偏移DAC来产生等于所需“零”输出电平的输出来完成的。

使用查找表来简化校准过程

在信号调理体系结构中加入温度驱动查找表为系统增加了很大的灵活性，并且可以大大简化校准过程。一个基本的查找表驱动系统只需要两个dac，一个用于跨度，一个用于偏移量。图6展示了一个基于基本查找表的补偿系统。这种系统的一个优点是校准速度快。

图6。系统的两个数字转换与查找表，如典型的器件，如MAX1452和MAX1455。

对于一阶温度补偿，采用基于查找表的系统的校准过程类似于四个DAC固定值校准。与固定值系统一样，需要两个校准温度。在每个温度下，传感器电桥电压的理想值由式3确定。Span DAC的值(α)，然后找到它产生所需的桥电压值。因此确定的Span DAC值是该温度下所需的查找表值。偏移DAC查找表值(γ)所要求的是，以最小的压力施加在传感器上，产生所需的输出“零”。图7说明了该过程以及在每种温度下所需的测量。

图7。DAC设置和测量需要在一阶，查找表，校准。

然后，通过查找跨度DAC和偏移DAC的查找表，通过在每个温度下每个DAC记录的值之间的线性插值获得的值来完成一阶校准。

校正方案比较

到目前为止，已经讨论了两种校准方案。这些是固定值和查找表派生出来的。从系统误差条件和标定效率两方面分析了这些方法的优缺点。所描述的两种方案都提供了温度相关误差的一阶补偿。补偿方案的精度取决于补偿温度测量的精度。在定值校准中，所有的温度信息都来源于传感器电桥电阻。因此，该系统应尽量减少可能由瞬态热条件产生的任何误差。

通过查找表系统校准，温度信息通常来自用于驱动查找表指针的片上温度传感器。因此，传感器和调理IC之间存在的任何温差都将通过指向查找表中的相邻位置而引起传感器补偿中的误差。

一阶校准的另一个误差来源是传感器温度响应中的任何二阶或更高阶项。固定值校准方案只能作为一阶补偿，不能校正温度响应曲线中的高阶效应。根据需要，查找表补偿可以应用于任意多的温度间隔，从而可以适应几乎任何顺序的温度曲线。

进一步考虑的是完成传感器校准所需的时间。校准吞吐量在很大程度上是温度和压力稳定时间的函数，以及确定和编程每个传感器的补偿系数所需的时间。在小批量生产中，沉淀时间往往主导校准时间。随着大批量生产，测量每个传感器所需的时间变得更加重要。它可能只需要一到两秒钟来执行一个温度下的单一测量设置。固定值校准方案需要九个这样的测量集来进行完整的一阶校准，而查找表系统只需要四个。

查找表校准与通用SpanTC DAC值

可以使用固定值和查找表校准的组合来定制校准方案，以在瞬态温度条件下的传感器精度和校准速度之间提供最佳折衷。其中一种方案利用固定值校准的偏移校正方法，以及SpanTC DAC的通用值，同时保留了基于查找表的校准的大部分速度。

在先前描述的查找表校准方案中，SpanTC DAC不被认为是校准系统的一部分，并被设置为标称值。对于任何传感器，SpanTC都有一个独特的值，可以完美地补偿传感器在任意两个温度点的热增益响应。这是应用固定值校准方法所确定的值。如果在查找表校准开始时将SpanTC寄存器设置为该值，那么在两个测量温度下为Span DAC确定的值将是相同的。在这种情况下，所有与跨度相关的温度信息将由传感器桥电阻导出。同样，如果SpanTC寄存器加载了一个通用值，接近所需的实际值，那么在两个温度下，Span DAC值之间只有很小的差异。这将产生一个系统，其中大部分的温度信息将是桥电阻推导，这将是相对不敏感的热瞬变。

对传感器校准数据的统计分析将产生一个平均SpanTC DAC值，该值可以用作特定传感器类型的通用值。理想情况下，用于此的数据应该是从适当数量的传感器校准中记录的实际SpanTC DAC值。此外，计算了SpanTC值的分布后，可以预测校准传感器的误差分布，作为传感器和调理IC之间可能存在的任何温差的函数。该误差预测的精确公式将取决于所采用的调理架构。为MAX1452 *信号调理IC确定了式5中的表达式，可用于计算使用非理想(通用)SpanTC值作为传感器和调理IC之间温差的函数所产生的误差。

* Maxim集成的MAX1452信号调理IC是当前一代调理产品的一个很好的例子，具有四个DAC架构以及精细的温度驱动查找表。图8显示了MAX1452的原理图。

其中:得尔塔 T =传感器和调理IC之间的温差
K(R) =电桥电阻温度系数(欧姆/℃)
β(0) =所需的SpanTC DAC值，范围为0到1
β(1)=实际的(通用的)SpanTC DAC值，范围为0到1
R(b) =传感器电桥电阻
R(STC) =与SpanTC DAC相关的设置电阻值
N =电流倍增器增益(在调节器IC内部设定的值)

图8。MAX1452传感器调节器

传感器偏移量的行为不适合编程一般的DAC值。这是因为偏移量可以是正的，也可以是负的。因此，偏置补偿的首选解决方案是使用固定值校准方法提供的系统。

所得到的校准技术如图9所示，该技术使用Span DAC的查找表以及SpanTC的通用值和Offset和OTC的固定值校准方法。

图9。DAC设置和测量所需的一阶查找表补偿与通用的SpanTC值和固定值偏移确定方法。

一阶校准然后通过长Span DAC查找表和使用固定值校准偏移技术计算的偏移(表)和OTC(寄存器)来完成。结果是一种解决方案，它保留了基于查找表的系统的大部分校准速度优势，但它显示出对热瞬态误差的敏感性大大降低。

高阶，查找表，由定值校准扩充的方案

除了在校准吞吐量方面的明显优势外，查找表架构还具有适应几乎任何顺序的温度响应的能力。这很容易通过在前面描述的查找表校准中提供额外的温度点来实现。如果关注热瞬态误差，则可以使用通用SpanTC值方法的扩展，或者为了达到最终精度，可以应用固定值和查找表校准的真正组合。

例如，二阶温度补偿可以通过在两个温度下应用一阶固定值校准，然后对第三个温度使用正常查找表方法来执行。通过使用查找表方法简单地添加更多的温度点，可以适应更高阶的温度校准。在前两个温度下的固定值校准用于确定SpanTC和OTC dac的值。三点校准的典型温度是最低温度、环境温度和最高温度。如果前两个温度分别是最低温度和最高温度，通常会得到最好的结果，但为了方便起见，通常希望使用环境温度作为第一温度。图10说明了这种温度测量方法的顺序:环境温度、最低温度、最高温度。