利用MAX1452實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端傳感器補(bǔ)償
摘要：MAX1452高性能模擬信號(hào)調(diào)理器通過(guò)片內(nèi)閃存查找表或者OTC和FSOTC DAC實(shí)現(xiàn)線性補(bǔ)償。對(duì)于MAX1452溫度和傳感器溫度不同的應(yīng)用(例如，傳感器位于距離MAX1452較遠(yuǎn)的位置)，應(yīng)采用OTC和FSOTC DAC來(lái)補(bǔ)償傳感器輸出。本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)這類遠(yuǎn)端傳感器補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程。在本文中，假設(shè)讀者熟悉MAX1452及其基本操作。
引言
MAX1452是高性能、低成本信號(hào)調(diào)理器，它具有片內(nèi)閃存、片內(nèi)溫度傳感器和全模擬信號(hào)通路。各種工業(yè)和汽車傳感器領(lǐng)域都采用了信號(hào)調(diào)理器，包括只限于對(duì)兩個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用。這種限制是出于成本、生產(chǎn)的考慮，并且無(wú)法將傳感器和信號(hào)調(diào)理器保持在同一溫度下。
MAX1452信號(hào)調(diào)理器支持兩種補(bǔ)償方法：
- 第一種方法在兩個(gè)溫度點(diǎn)之間進(jìn)行線性外推處理(針對(duì)FSO和OFF DAC值)，以相應(yīng)的溫度系數(shù)裝入OFF和FSO查找表的每一單元，以糾正輸入信號(hào)的TC偏差。在這種方法中，OTC和FSOTC DAC被設(shè)置為任一固定值(和補(bǔ)償過(guò)程使用的數(shù)值一樣)。在工作期間，隨MAX1452溫度的變化，以相應(yīng)的系數(shù)來(lái)更新OFF和FSO DAC，從而補(bǔ)償輸入信號(hào)。
- 在第二種方法中，把OFF和FSO查找表當(dāng)做一個(gè)DAC。利用隨溫度變化的電橋激勵(lì)電壓(VB)作為溫度參數(shù)，該電壓是OTC和FSOTC DAC的基準(zhǔn)電壓。根據(jù)補(bǔ)償期間的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算OFF、FSO、OTC和FSOTC DAC的值。當(dāng)MAX1452和傳感器無(wú)法保持同一溫度時(shí)，必須采用這一方法。它也可以用于MAX1452和傳感器溫度相同的情況。
這兩種方法應(yīng)該產(chǎn)生相似的結(jié)果。如果正確實(shí)施，這些方法能夠完全消除輸入信號(hào)TC誤差的線性分量，降低輸出誤差，只剩下輸入信號(hào)TC誤差的非線性分量。
MAX1452用戶手冊(cè)詳細(xì)介紹了第一種方法，本應(yīng)用筆記不再介紹。下面介紹通常被稱為遠(yuǎn)端傳感器補(bǔ)償?shù)牡诙N方法。
遠(yuǎn)端傳感器補(bǔ)償過(guò)程
下面介紹怎樣補(bǔ)償壓力變送器，它采用了MAX1452和100KPaG PRT壓力傳感器。表1和圖1至圖3列出了補(bǔ)償結(jié)果。變送器通過(guò)補(bǔ)償來(lái)產(chǎn)生所需的0.5V失調(diào)電壓[VOUT(PMIN)]和4.0V FSO電壓[VOUT (PMAX) - VOUT (PMIN)]。因此，滿量程壓力檢測(cè)輸出電壓[VOUT(PMAX)]應(yīng)該是4.5V。補(bǔ)償過(guò)程至少需要兩個(gè)壓力點(diǎn)(零和滿量程)以及兩個(gè)任意溫度點(diǎn)(T1和T2，其中T2 > T1)。選擇的T1和T2應(yīng)該使數(shù)據(jù)點(diǎn)達(dá)到最佳線性擬和，以降低整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的誤差。
下面列出了補(bǔ)償過(guò)程的主要步驟：
- 系數(shù)初始化
- FSO校準(zhǔn)
- FSO和FSOTC補(bǔ)償
- OTC補(bǔ)償
- OFF補(bǔ)償
系數(shù)初始化
在開(kāi)始之前，必須設(shè)置PGA增益、IRO索引和DAC，以防止PGA輸出在補(bǔ)償過(guò)程中過(guò)載。這些數(shù)值取決于傳感器特性，可以參考傳感器數(shù)據(jù)資料，獲得傳感器特性。
選擇PGA增益設(shè)置
對(duì)于典型的2.5V電橋激勵(lì)電壓(VB)，以測(cè)得的傳感器步長(zhǎng)(VSOUT)來(lái)劃分變送器的滿量程輸出電壓(VFSODESIRED)，計(jì)算所需的信號(hào)增益。然后，從MAX1452數(shù)據(jù)資料的PGA表中選擇給出更大的PGAGAIN的PGAINDEX。
例如，2.5V激勵(lì)0.0364V輸出和4.0V VFSODESIRED的傳感器需要110V/V的信號(hào)增益。根據(jù)數(shù)據(jù)資料的PGA表，選擇PGA[3:0] = 0110，它對(duì)應(yīng)于117V/V增益。
選擇IRO索引
計(jì)算典型2.5V電橋激勵(lì)電壓時(shí)的傳感器失調(diào)。然后，從MAX1452數(shù)據(jù)資料IRO表中，選擇最接近IRO DAC輸出的IROINDEX，但是它應(yīng)該和傳感器的失調(diào)反向。
例子：對(duì)于+30mV失調(diào)的傳感器，選擇IRO[2:0] = 011，符號(hào)位 = 0，對(duì)應(yīng)于-27mV失調(diào)校準(zhǔn)。
選擇初始OTC DAC值
通常情況下，因?yàn)樵谝院笱a(bǔ)償OTC，因此一開(kāi)始可以把OTC DAC值設(shè)置為零。但是，具有較大失調(diào)TC誤差的傳感器可能需要先進(jìn)行粗略的OTC調(diào)整，以防止輸出在補(bǔ)償期間出現(xiàn)飽和。對(duì)于失調(diào)TC誤差大于滿量程輸出10%的傳感器，建議采用不為零的OTC初始值?？梢园聪旅娴墓絹?lái)計(jì)算初始OTC值：
其中，VB(T1) = 2.5V，利用傳感器數(shù)據(jù)資料提供的傳感器參數(shù)計(jì)算VSOUT(T1)、VSOUT(T2)和VB(T2)。
必須將OTC值寫入到OTC DAC中，并相應(yīng)地設(shè)置配置寄存器的OTC符號(hào)位。
FSO校準(zhǔn)
按照以下步驟確定初始FSO DAC值：
- 將FSOTC DAC設(shè)置為任意值，例如0。
- 傳感器加載PMIN。PMIN代表最小壓力。
- 調(diào)整FSO DAC，直到電橋激勵(lì)電壓接近2.5V。
- 測(cè)量電橋激勵(lì)電壓(VB)。
- 調(diào)整OFF DAC，將PGAOUT電壓設(shè)置為0.5V。
- 測(cè)量PGAOUT，VOUT(PMIN)。
- 傳感器加載PMAX。PMAX代表最大壓力。
- 測(cè)量PGAOUT，VOUT(PMAX)。
- 按照下面的公式計(jì)算VBIDEAL：
如果VBIDEAL超出允許范圍[1.5V至(VDD - 0.5V)]，重新調(diào)整PGAGAIN設(shè)置。如果VBIDEAL過(guò)低，在第一步中減小PGAGAIN，然后返回第二步。如果VBIDEAL過(guò)高，在第一步中增大PGAGAIN，然后返回第二步。注意，在整個(gè)操作范圍內(nèi)，須滿足1.5V < VB < (VDD - 0.5V)的范圍限制。因此，必須為VB隨溫度變化留有足夠的裕量。
- 通過(guò)調(diào)整FSO DAC設(shè)置VBIDEAL。
- 重新調(diào)整OFF DAC，直到PGAOUT達(dá)到0.5V。
FSO和FSOTC補(bǔ)償
可以通過(guò)四個(gè)步驟來(lái)確定FSO和FSOTC系數(shù)。在第一步中，確定在T1產(chǎn)生VBIDEAL的兩對(duì)FSO和FSOTC值。在第二步中，確定在T2產(chǎn)生VBIDEAL的兩對(duì)FSO和FSOTC值。在第三步，把在T1和T2測(cè)得的FSO和FSOTC值代入相應(yīng)的公式中，計(jì)算補(bǔ)償FSO和FSOTC，理論上，這些值將產(chǎn)生適用于任意溫度的VBIDEAL。在第四步中，調(diào)整FSO DAC，以微調(diào)滿量程輸出。
- T1的理想電橋電壓，VBIDEAL(T1)
A. 把溫度設(shè)置為T1，使電橋電壓有足夠的吸收時(shí)間，穩(wěn)定在0.1mV/min以內(nèi)。
B. 傳感器加載PMIN。
C. 測(cè)量電橋激勵(lì)電壓(VB)。
D. 測(cè)量PGAOUT，VOUT(PMIN)。
E. 傳感器加載PMAX。
F. 測(cè)量PGAOUT，VOUT(PMAX)。
G. 利用公式2計(jì)算VBIDEAL(T1)。
H. 通過(guò)調(diào)整FSO DAC設(shè)置VBIDEAL。
I. 重新測(cè)量VOUT(PMAX)和VOUT(PMIN)，驗(yàn)證已經(jīng)達(dá)到了合適的VFSODESIRED電平。如果沒(méi)有，從B開(kāi)始，重新進(jìn)行所有步驟。
J. 把當(dāng)前的FSO和FSOTC值分別記為FSO1(T1)和FSOTC1(T1)。
K. FSO DAC數(shù)值增加(或減小) 5000個(gè)計(jì)數(shù)值。
L. 調(diào)整FSOTC DAC值，直到VB = VBIDEAL(T1)。
M. 把當(dāng)前的FSO和FSOTC值分別記為FSO2(T1)和FSOTC2(T1)。
N. 傳感器加載PMIN。
O. 讀取輸出電壓，并記錄為VOUT(T1)。后面的OTC補(bǔ)償將用到該數(shù)值。
P. 讀取VB，并記錄為VB(T1)。該數(shù)值應(yīng)該和VBIDEAL(T1)相同，后面的OTC補(bǔ)償需要。
- T2的理想電橋電壓，VBIDEAL(T2)
A. 把溫度設(shè)置為T2，使電橋電壓有足夠的吸收時(shí)間，穩(wěn)定在0.1mV/min以內(nèi)。
B. 傳感器加載PMIN。
C. 讀取輸出電壓，并記錄為VOUT(T2)。后面的OTC補(bǔ)償將用到該數(shù)值。
D. 讀取VB，并記錄為VB(T2)。
E. 通過(guò)和上面相同的步驟確定VBIDEAL(T2)值。
F. 通過(guò)和上面相同的步驟確定FSO1(T2)和FSOTC1(T2)值。
G. 通過(guò)和上面相同的步驟確定FSO2(T1)和FSOTC2(T2)值。
H. 傳感器加載PMIN。
- 計(jì)算FSO和FSOTC系數(shù)。
A. T1處的FSO和FSOTC曲線/函數(shù)：
B. T2處的FSO和FSOTC曲線/函數(shù)：
C. 最終的FSO系數(shù)：
D. 最終的FSOTC系數(shù)：
- 將計(jì)算的FSO和FSOTC值裝載到FSO和FSOTC DAC中，如果需要，調(diào)整FSO DAC，直到電橋激勵(lì)電壓等于VBIDEAL(T2)。
這就完成了FSO和FSOTC補(bǔ)償。在這一點(diǎn)，變送器的FSO輸出必須等于VFSODESIRED電平。
OTC補(bǔ)償
由于已經(jīng)收集到了計(jì)算最終OTC值所需的全部信息，可使用下式計(jì)算：
其中：
NewOTC是最終OTC系數(shù)；
CurrentOTC是OTC DAC中的當(dāng)前值；
VOUT(T1)和VB(T1)是T1的最后一次測(cè)量值；
VOUT(T2)和VB(T2)是T2吸收后的第一次測(cè)量值。
把NewOTC值寫入OTC DAC，并相應(yīng)的在配置寄存器中設(shè)置OTC DAC符號(hào)位。
OFF補(bǔ)償
在這一點(diǎn)，傳感器還應(yīng)該保持在溫度T2和壓力PMIN。通過(guò)調(diào)整OFF DAC，完成T2或者T1的最終失調(diào)調(diào)整，如果需要，調(diào)整OFF DAC符號(hào)位，直到VOUT等于所需要的失調(diào)電壓(在這一例子中是0.5V)。
現(xiàn)在完成了傳感器補(bǔ)償!
驗(yàn)證傳感器補(bǔ)償
把變送器置于各種溫度和壓力點(diǎn)下，來(lái)驗(yàn)證補(bǔ)償效果，校驗(yàn)PGAOUT。
實(shí)例
下面的數(shù)據(jù)展示了上面詳細(xì)闡述的過(guò)程的效果。采用了100KpaG測(cè)量傳感器(序列號(hào)：NPH-8-100GH)，其輸出補(bǔ)償為PMIN = 0，PMAX = 100KpaG，T1 = -40°C和T2 = +125°C。目標(biāo)輸出電壓為PGAOUT(PMIN) = 0.5V，PGAOUT(PMAX) = 4.5V。在補(bǔ)償過(guò)程完成時(shí)，補(bǔ)償后的變送器為T = -40°C，0°C，+25°C，+75°C和+125°C。兩點(diǎn)溫度補(bǔ)償完全消除了傳感器誤差的線性部分。補(bǔ)償后變送器的總誤差和未補(bǔ)償傳感器誤差的非線性分量大致相當(dāng)。
表1列出了未補(bǔ)償和補(bǔ)償后變送器的測(cè)量輸出和計(jì)算誤差。未補(bǔ)償傳感器的誤差有兩種形式：總誤差(TE)和非線性誤差(NE)。TE由TC誤差的線性和非線性組成(以25°C間隔為參考)。NE是總誤差減去所計(jì)算誤差的線性分量，誤差是指和通過(guò)數(shù)據(jù)兩個(gè)端點(diǎn)的直線的偏差(端點(diǎn)直線擬和)。表1中的數(shù)據(jù)在圖1至圖3中以曲線的形式表示。圖1所示是未補(bǔ)償傳感器的總誤差；圖2是未補(bǔ)償傳感器誤差的非線性分量；圖3是變送器補(bǔ)償后的總誤差。數(shù)據(jù)表明兩點(diǎn)補(bǔ)償過(guò)程完全消除了傳感器的線性分量，變送器補(bǔ)償后的TE和未補(bǔ)償傳感器的非線性分量大致相當(dāng)。
表1. 未補(bǔ)償傳感器和補(bǔ)償后的變送器數(shù)據(jù)
| Temp (°C) |
Uncompensated Sensor (PMIN = 0; PMAX = 100KPaG; VB = 5V) |
Compensated Transducer (PMIN = 0; PMAX = 100KPaG; VDD = 5V) |
||||||||
| Offset (mV) | FSO (mV) | Total Error (% FSO, Referenced at +25°C) |
Nonlinear Error (% FSO, End-Point Fit) |
Offset (V) | FSO (V) | Total Error (% FSO, End-Point Fit) |
||||
| Offset | FSO | Offset | FSO | Offset | FSO | |||||
| -40 | -4.2 | 97.7 | -5.3 | 9.9 | 0.0 | 0.0 | 0.496 | 4.006 | -0.1 | 0.2 |
| 0 | -1.0 | 89.3 | -1.5 | 3.8 | 1.5 | -1.8 | 0.553 | 3.933 | 1.3 | -1.7 |
| +25 | 0.3 | 84.8 | 0.0 | 0.0 | 1.6 | -2.0 | 0.565 | 3.930 | 1.6 | -1.8 |
| +75 | 2.5 | 76.6 | 2.6 | -7.1 | 1.3 | -1.5 | 0.552 | 3.957 | 1.3 | -1.1 |
| +125 | 3.8 | 69.2 | 4.1 | -14.3 | 0.0 | 0.0 | 0.500 | 4.001 | 0.0 | 0.0 |
在這個(gè)例子中，對(duì)極端溫度點(diǎn)進(jìn)行了補(bǔ)償，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了端點(diǎn)直線擬和，以便清楚地演示兩點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。極端溫度點(diǎn)并不是傳感器補(bǔ)償最佳點(diǎn)，因?yàn)檎`差會(huì)偏向一側(cè)(理論上，幅度加倍)。在應(yīng)用中，需要憑經(jīng)驗(yàn)選擇最佳溫度補(bǔ)償點(diǎn)，這樣，變送器誤差均勻分布在0%誤差線附近。一般情況下，滿量程的25%和75% (中點(diǎn))溫度點(diǎn)將給出最佳誤差分布。如果在這個(gè)例子中選擇了最佳補(bǔ)償溫度點(diǎn)，那么，誤差分布大約在表1所示誤差一側(cè)的±½ (以0%誤差線為中心)。
圖1. 未補(bǔ)償傳感器總誤差—結(jié)合了一階和二階誤差
圖2. 未補(bǔ)償傳感器的二階誤差，是圖1中數(shù)據(jù)端點(diǎn)直線的偏差。
圖3. 變送器補(bǔ)償后的誤差。這是系數(shù)補(bǔ)償后的總誤差。兩點(diǎn)溫度補(bǔ)償只能糾正誤差的線性部分。
結(jié)論
- 本應(yīng)用筆記旨在作為一個(gè)實(shí)例來(lái)演示遠(yuǎn)端傳感器補(bǔ)償過(guò)程，介紹手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)姆椒?。MAX1452用戶手冊(cè)介紹了更適合自動(dòng)補(bǔ)償?shù)钠渌椒?，該手?cè)包含在評(píng)估板軟件工具中，可以從Maxim網(wǎng)站下載。
- 為充分發(fā)揮MAX1452的功能，需要進(jìn)行兩次補(bǔ)償。第一次是確定OTC和FSOTC系數(shù)，以有效地校正TC誤差的線性分量，如本文檔所述。第二次是多點(diǎn)溫度補(bǔ)償，以正確的系數(shù)填充OFF和FSO查找表，抵消剩余的非線性TC誤差。MAX1452用戶手冊(cè)介紹了多點(diǎn)溫度補(bǔ)償過(guò)程。
- 在生產(chǎn)環(huán)境中，能夠以標(biāo)稱值裝載OTC和FSOTC DAC，只進(jìn)行一次多點(diǎn)溫度補(bǔ)償，以充分利用MAX1452的功能。之所以這樣，是因?yàn)轭愃?strong>傳感器的TC特性(例如，靈敏度和失調(diào)等)非常相似。在代表性的樣片上進(jìn)行兩點(diǎn)補(bǔ)償就可以確定標(biāo)稱OTC和FSOTC (以及PGAGAIN和IRO)值。
- 在本應(yīng)用筆記中，MAX1452可以作為一種產(chǎn)品選擇。但是，該過(guò)程也適用于MAX1455，因?yàn)檫@兩種產(chǎn)品只有很小的差別。
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