田　澤，郎　靜，楊　杰，余立寧

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068；4.成都凱天電子股份有限公司，四川 成都610091)

HKA2910傳感器信號調(diào)理芯片設(shè)計*

田澤1，2，郎靜3，楊杰4，余立寧3

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068；4.成都凱天電子股份有限公司，四川 成都610091)

阻性傳感器固有的輸出信號非線性和溫度漂移的問題，使其在構(gòu)建精密傳感系統(tǒng)時影響系統(tǒng)的測量精度。通常情況采取板級補(bǔ)償?shù)姆椒?，該方法占用板面積大、功耗大和質(zhì)量大。通過研究阻性傳感器的溫度漂移產(chǎn)生原理和補(bǔ)償方法，采用集成電路技術(shù)，單芯片實(shí)現(xiàn)了一種高精度傳感器信號調(diào)理，內(nèi)置高精度補(bǔ)償算法，并開發(fā)了校準(zhǔn)軟件。對基于信號調(diào)理芯片構(gòu)建的單片傳感器信號調(diào)理補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測試，測試結(jié)果表明，在-55℃～150℃的溫度范圍內(nèi)輸出的信號呈良好的線性關(guān)系，誤差小于0.2%，滿足系統(tǒng)的測量精度需求。該芯片設(shè)計滿足工程小型化、低功耗、高精度的要求，為信號調(diào)理補(bǔ)償提供了新的技術(shù)手段。

阻性傳感器；信號調(diào)理芯片；溫度補(bǔ)償

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(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

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(yùn)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∑-△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。

圖1　芯片結(jié)構(gòu)原理圖

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。

圖2　集成溫度傳感器原理圖

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。

1.216位∑-Δ型D/A轉(zhuǎn)換電路

∑-△型D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)是通過采用通信中的∑-△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(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16位∑-△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、Σ-△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。

圖3　∑-△DAC原理框圖

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的差分信號可編程增益放大功能，并完成輸出信號的偏移量補(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。可編程增益放大和電路主要由三部分組成，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。第一級實(shí)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(shí)現(xiàn)偏移量的補(bǔ)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(shí)現(xiàn)OFFSET和OFFSET TC的偏移量補(bǔ)償。第三級實(shí)現(xiàn)雙端到單端的轉(zhuǎn)換，輸出運(yùn)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(yàn)證，同時進(jìn)行了可靠性驗(yàn)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2mm×2mm，整體芯片物理設(shè)計如圖5所示。

圖4　PGA結(jié)構(gòu)框圖

圖5　傳感器信號調(diào)理芯片版圖

2　芯片測試

利用HKA2910芯片對一款壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，測試校準(zhǔn)平臺如圖6所示，包括電源、試驗(yàn)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%。

圖6　芯片及系統(tǒng)測試平臺

圖7　原始傳感器特性曲線

在-60℃、-25℃、20℃、70℃和 150℃對壓力傳感器進(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)在測得的5個溫度點(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)的測量精度達(dá)到0.2%。

表1　測試校準(zhǔn)部分?jǐn)?shù)據(jù)

補(bǔ)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(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。

圖8　補(bǔ)償后傳感器特性曲線

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(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)控制測量、家電（電壓力鍋）和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。

表2　同類芯片對比

[1]薛軍，紀(jì)敦，李猛，等．飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號的采集與預(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，楚寧，周濤，等.一種基于能量約束的傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)數(shù)據(jù)融合算法[J].儀器儀表學(xué)報，2007(3)：172-175.

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

[4]張有鳳，王欽若，張慧.基于壓力檢測的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(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[J].傳感技術(shù)學(xué)報，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.

余立寧（1985），男，碩士，主要研究方向：高速總線設(shè)計。

Design of HKA2910 sensor signal conditioner and compensation system with a single chip

Tian Ze1，2，Liang Jing3，Yang Jie4，Yu Lining3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China；4.Chengdu CAIC Electronics Co.，Ltd，Chengdu 610091，China)

The intrinsic of non-linearity output and temperature drift for resistance sensor has a strong impact to the entire system accuracy and seriously limited its application.Due to the disadvantages of area,power and weight of conventional solution.Base on the compensation research of the resistance sensor,a sensor signal conditioner chip has been designed and implemented and further more the compensation algorithm has been investigated and finally integrated into the user software.The measurement shows that，a good linearity performance of output versus the measured pleasure was observed at temperature range from-55℃～150℃, the total error is less than 0.2%.This new efficient way by design and implementation of sensor signal conditioner chip has been realized which make the sensor system more impact and more accurate.

resistance sensors；signal conditioner；temperature compensation

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.003

航空科學(xué)基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團(tuán)公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-03-08）

田澤（1965-），男，博士，研究員，主要研究方向：集成電路設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

郎靜（1980-），女，碩士，工程師，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計。

楊杰（1965-），男，本科，研究員，主要研究方向：航空電子-大氣數(shù)據(jù)探測。

中文引用格式：田澤，郎靜，楊杰，等.HKA2910傳感器信號調(diào)理芯片設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(5)：10-13.

英文引用格式：Tian Ze，Liang Jing，Yang Jie，et al.Design of HKA2910 sensor signal conditioner and compensation system with a single chip[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：10-13.