0 引言

    基于半導體壓阻效應(yīng)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(jié)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(tǒng)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(diào)理和補償。傳統(tǒng)意義上的信號調(diào)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(diào)理芯片可以把軟件和硬件補償相結(jié)合，對傳感器輸出信號進行調(diào)理。同時，通過接口對校準和補償系數(shù)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(diào)理芯片是一種較好的傳感器信號調(diào)理設(shè)備。

    HKA2910是一種高性能、低成本的信號調(diào)理芯片，可以用于優(yōu)化過程控制中和工業(yè)上使用阻性器件的傳感器系統(tǒng)。它包含片內(nèi)閃存、片內(nèi)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?shù)裙δ?，其綜合工作特性可以實現(xiàn)逼近傳感器固有的可重復(fù)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(shù)模信號轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，DAC)實現(xiàn)數(shù)字化校正，可專門用于控制硅壓阻傳感器的工作狀態(tài)。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(gòu)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(jié)(即6 144 bit)的內(nèi)部存儲器、一個內(nèi)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(yīng)的溫度系數(shù)(Temperature Coefficient，TC)和跨度溫度系數(shù)(Full Scale Output Temperature Coefficient，F(xiàn)SOTC)產(chǎn)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(shù)字化校正。偏移量和跨度可以校準在±0.02%滿量程之內(nèi)^[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(diào)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(jù)使用環(huán)境選擇所需要的封裝類型。

2 典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)

    通過將HKA2910與較少的外圍元件相連接，就可以使HKA2910實現(xiàn)不同的功能。下面介紹幾種常用結(jié)構(gòu)電路。

2.1 MAP傳感器補償校準

    在汽車電控系統(tǒng)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(xiàn)補償校準的過程中，為了實現(xiàn)HKA2910的設(shè)置以及控制功能，需要將鎖定引腳(UNLOCK)接為高電平，對數(shù)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(jié)構(gòu)可以提供和電源電壓值成比例的信號輸出。該輸出可應(yīng)用于比例模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)，產(chǎn)生一個與電源電壓無關(guān)的數(shù)值。比例調(diào)節(jié)是電池供電設(shè)備、汽車制造等許多工業(yè)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(jié)構(gòu)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：R_ISRC和R_STC，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<V_PWR<40 V)結(jié)構(gòu)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(wěn)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(nèi)以及系統(tǒng)ADC或讀取設(shè)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(huán)路電路

    工業(yè)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(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂苹蛘唢@示設(shè)備上。將這種物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備稱為變送器。工業(yè)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(huán)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(yōu)點對過程控制大有裨益。環(huán)路電壓可以在12 V~40 V之間，在本質(zhì)上是非比例結(jié)構(gòu)^[7]。利用HKA2910自身低電流損耗的特點以及其內(nèi)置的通用運算放大器，可以組成一個簡單的4 mA~20 mA驅(qū)動電路，為芯片自身供電。具體電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 在航空系統(tǒng)中的典型應(yīng)用方案

    航空系統(tǒng)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(huán)境下，所以傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)是必不可少的。本節(jié)通過對五種在航空系統(tǒng)中使用傳感器的示例來說明信號調(diào)理芯片的應(yīng)用方案。

3.1 飛行參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

    飛行參數(shù)數(shù)據(jù)一般是指飛機狀態(tài)參數(shù)（飛機的航速航向、剩余油量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和溫度等）、位置參數(shù)（經(jīng)緯度、高度和時間等）、滑油壓力和溫度等。飛行參數(shù)數(shù)據(jù)通常由飛機傳感器獲得，信號格式主要有模擬信號、數(shù)字信號和頻率信號三類，飛行參數(shù)的采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。被采集到的數(shù)據(jù)信號，首先被中央處理器CPU處理后存入緩存，當一個緩存區(qū)的存儲空間用盡時，數(shù)據(jù)通過高速總線打包傳輸至數(shù)據(jù)記錄器，并清空緩存，同時另一個緩存區(qū)存儲采集系統(tǒng)當前采集到的數(shù)據(jù)。其中，對于模擬信號和頻率信號的采集，都需要信號調(diào)理器對信號進行初步處理。

3.2 空速系統(tǒng)

    空速系統(tǒng)是一種測量系統(tǒng)，主要用來測量空氣總溫、靜壓和總壓等參數(shù)，為機載設(shè)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。空速計作為無人機系統(tǒng)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。基于壓力傳感器所設(shè)計的空速計不但在小型和微型無人機上有著很好的應(yīng)用，也在其他需要測量空速的地方發(fā)揮重要作用?？账俟?、壓力管路、動靜壓傳感器、信號調(diào)理電路等結(jié)構(gòu)、元器件組成了無人機的空速系統(tǒng)，如圖6所示。

3.3 飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)

    飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)是一種儀表系統(tǒng)，用來指示和測量飛機姿態(tài)。它為近地警告系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)等多個機載設(shè)備提供所需要的飛行數(shù)據(jù)。飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)在航空電子系統(tǒng)中承擔著非常重要的任務(wù)。一種飛行姿態(tài)指示系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.4 發(fā)動機尾氣監(jiān)測系統(tǒng)

    發(fā)動機尾氣監(jiān)測系統(tǒng)（如圖8所示）采用靜電傳感器對尾氣中帶電顆粒進行監(jiān)測。這個傳感器采用電流信號的方式進行輸出，信號調(diào)理器通過按比例轉(zhuǎn)換的方式將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。尾氣靜電監(jiān)測系統(tǒng)中最前端的元件為靜電傳感器，它一般被安裝在發(fā)動機尾噴管處，感應(yīng)到的信號一般頻率較低并且強度較弱。在氣路高溫環(huán)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(chǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

    轉(zhuǎn)速控制是航空發(fā)動機控制最主要的任務(wù)，對推力的控制可以通過對轉(zhuǎn)速的控制來實現(xiàn)。在航空發(fā)動機數(shù)字化控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速傳感器所測得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(diào)理。轉(zhuǎn)速傳感器、信號調(diào)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(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，其主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

4 結(jié)論

    本文基于傳感器信號需要進行補償?shù)男枰?，提出了高動態(tài)范圍、高精度、低功耗、低成本的信號調(diào)理解決方案。這些方案具有優(yōu)良的技術(shù)指標以及穩(wěn)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(tǒng)應(yīng)用驗證和測試。采用這些方案后，傳感器采集信號性能穩(wěn)定、可靠性高，系統(tǒng)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(shè)計方面成效顯著，滿足了傳感器系統(tǒng)采集和轉(zhuǎn)換的各項技術(shù)指標要求。隨著集成傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)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(shù)優(yōu)勢，已成為信號調(diào)理首選設(shè)計方案^[8-9]。

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