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[導讀]摘要:MAX1452高性能模擬信號調理器通過片內閃存查找表或者OTC和FSOTC DAC實現線性補償。對于MAX1452溫度和傳感器溫度不同的應用(例如,傳感器位于距離MAX1452較遠的位置),應采用OTC和FSOTC DAC來補償傳感器輸出。本

摘要:MAX1452高性能模擬信號調理器通過片內閃存查找表或者OTC和FSOTC DAC實現線性補償。對于MAX1452溫度和傳感器溫度不同的應用(例如,傳感器位于距離MAX1452較遠的位置),應采用OTC和FSOTC DAC來補償傳感器輸出。本應用筆記詳細介紹實現這類遠端傳感器補償的過程。在本文中,假設讀者熟悉MAX1452及其基本操作。

 

引言

MAX1452是高性能、低成本信號調理器,它具有片內閃存、片內溫度傳感器和全模擬信號通路。各種工業(yè)和汽車傳感器領域都采用了信號調理器,包括只限于對兩個溫度點進行補償的應用。這種限制是出于成本、生產的考慮,并且無法將傳感器和信號調理器保持在同一溫度下。

MAX1452信號調理器支持兩種補償方法:

  1. 第一種方法在兩個溫度點之間進行線性外推處理(針對FSO和OFF DAC值),以相應的溫度系數裝入OFF和FSO查找表的每一單元,以糾正輸入信號的TC偏差。在這種方法中,OTC和FSOTC DAC被設置為任一固定值(和補償過程使用的數值一樣)。在工作期間,隨MAX1452溫度的變化,以相應的系數來更新OFF和FSO DAC,從而補償輸入信號。

     
  2. 在第二種方法中,把OFF和FSO查找表當做一個DAC。利用隨溫度變化的電橋激勵電壓(VB)作為溫度參數,該電壓是OTC和FSOTC DAC的基準電壓。根據補償期間的測量結果,計算OFF、FSO、OTC和FSOTC DAC的值。當MAX1452和傳感器無法保持同一溫度時,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。

這兩種方法應該產生相似的結果。如果正確實施,這些方法能夠完全消除輸入信號TC誤差的線性分量,降低輸出誤差,只剩下輸入信號TC誤差的非線性分量。

MAX1452用戶手冊詳細介紹了第一種方法,本應用筆記不再介紹。下面介紹通常被稱為遠端傳感器補償的第二種方法。

 

遠端傳感器補償過程

下面介紹怎樣補償壓力變送器,它采用了MAX1452和100KPaG PRT壓力傳感器。表1和圖1至圖3列出了補償結果。變送器通過補償來產生所需的0.5V失調電壓[VOUT(PMIN)]和4.0V FSO電壓[VOUT (PMAX) - VOUT (PMIN)]。因此,滿量程壓力檢測輸出電壓[VOUT(PMAX)]應該是4.5V。補償過程至少需要兩個壓力點(零和滿量程)以及兩個任意溫度點(T1和T2,其中T2 > T1)。選擇的T1和T2應該使數據點達到最佳線性擬和,以降低整個工作溫度范圍內的誤差。

下面列出了補償過程的主要步驟:

  1. 系數初始化
  2. FSO校準
  3. FSO和FSOTC補償
  4. OTC補償
  5. OFF補償

系數初始化

在開始之前,必須設置PGA增益、IRO索引和DAC,以防止PGA輸出在補償過程中過載。這些數值取決于傳感器特性,可以參考傳感器數據資料,獲得傳感器特性。

 

選擇PGA增益設置

對于典型的2.5V電橋激勵電壓(VB),以測得的傳感器步長(VSOUT)來劃分變送器的滿量程輸出電壓(VFSODESIRED),計算所需的信號增益。然后,從MAX1452數據資料的PGA表中選擇給出更大的PGAGAIN的PGAINDEX。

例如,2.5V激勵0.0364V輸出和4.0V VFSODESIRED的傳感器需要110V/V的信號增益。根據數據資料的PGA表,選擇PGA[3:0] = 0110,它對應于117V/V增益。

 

選擇IRO索引

計算典型2.5V電橋激勵電壓時的傳感器失調。然后,從MAX1452數據資料IRO表中,選擇最接近IRO DAC輸出的IROINDEX,但是它應該和傳感器的失調反向。

例子:對于+30mV失調的傳感器,選擇IRO[2:0] = 011,符號位 = 0,對應于-27mV失調校準。

 

選擇初始OTC DAC值

通常情況下,因為在以后補償OTC,因此一開始可以把OTC DAC值設置為零。但是,具有較大失調TC誤差的傳感器可能需要先進行粗略的OTC調整,以防止輸出在補償期間出現飽和。對于失調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絹碛嬎愠跏糘TC值:



其中,VB(T1) = 2.5V,利用傳感器數據資料提供的傳感器參數計算VSOUT(T1)、VSOUT(T2)和VB(T2)。

必須將OTC值寫入到OTC DAC中,并相應地設置配置寄存器的OTC符號位。

 

FSO校準

按照以下步驟確定初始FSO DAC值:

  1. 將FSOTC DAC設置為任意值,例如0。

     
  2. 傳感器加載PMIN。PMIN代表最小壓力。

     
  3. 調整FSO DAC,直到電橋激勵電壓接近2.5V。

     
  4. 測量電橋激勵電壓(VB)。

     
  5. 調整OFF DAC,將PGAOUT電壓設置為0.5V。

     
  6. 測量PGAOUT,VOUT(PMIN)。

     
  7. 傳感器加載PMAX。PMAX代表最大壓力。

     
  8. 測量PGAOUT,VOUT(PMAX)。

     
  9. 按照下面的公式計算VBIDEAL:



    如果VBIDEAL超出允許范圍[1.5V至(VDD - 0.5V)],重新調整PGAGAIN設置。如果VBIDEAL過低,在第一步中減小PGAGAIN,然后返回第二步。如果VBIDEAL過高,在第一步中增大PGAGAIN,然后返回第二步。注意,在整個操作范圍內,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。

     
  10. 通過調整FSO DAC設置VBIDEAL。

     
  11. 重新調整OFF DAC,直到PGAOUT達到0.5V。

FSO和FSOTC補償

可以通過四個步驟來確定FSO和FSOTC系數。在第一步中,確定在T1產生VBIDEAL的兩對FSO和FSOTC值。在第二步中,確定在T2產生VBIDEAL的兩對FSO和FSOTC值。在第三步,把在T1和T2測得的FSO和FSOTC值代入相應的公式中,計算補償FSO和FSOTC,理論上,這些值將產生適用于任意溫度的VBIDEAL。在第四步中,調整FSO DAC,以微調滿量程輸出。

  1. T1的理想電橋電壓,VBIDEAL(T1)

      A. 把溫度設置為T1,使電橋電壓有足夠的吸收時間,穩(wěn)定在0.1mV/min以內。

      B. 傳感器加載PMIN。

      C. 測量電橋激勵電壓(VB)。

      D. 測量PGAOUT,VOUT(PMIN)。

      E. 傳感器加載PMAX。

      F. 測量PGAOUT,VOUT(PMAX)。

      G. 利用公式2計算VBIDEAL(T1)。

      H. 通過調整FSO DAC設置VBIDEAL。

      I. 重新測量VOUT(PMAX)和VOUT(PMIN),驗證已經達到了合適的VFSODESIRED電平。如果沒有,從B開始,重新進行所有步驟。

      J. 把當前的FSO和FSOTC值分別記為FSO1(T1)和FSOTC1(T1)。

      K. FSO DAC數值增加(或減小) 5000個計數值。

      L. 調整FSOTC DAC值,直到VB = VBIDEAL(T1)。

      M. 把當前的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補償將用到該數值。

      P. 讀取VB,并記錄為VB(T1)。該數值應該和VBIDEAL(T1)相同,后面的OTC補償需要。

  2. T2的理想電橋電壓,VBIDEAL(T2)

      A. 把溫度設置為T2,使電橋電壓有足夠的吸收時間,穩(wěn)定在0.1mV/min以內。

      B. 傳感器加載PMIN。

      C. 讀取輸出電壓,并記錄為VOUT(T2)。后面的OTC補償將用到該數值。

      D. 讀取VB,并記錄為VB(T2)。

      E. 通過和上面相同的步驟確定VBIDEAL(T2)值。

      F. 通過和上面相同的步驟確定FSO1(T2)和FSOTC1(T2)值。

      G. 通過和上面相同的步驟確定FSO2(T1)和FSOTC2(T2)值。

      H. 傳感器加載PMIN。

  3. 計算FSO和FSOTC系數。

      A. T1處的FSO和FSOTC曲線/函數:



      B. T2處的FSO和FSOTC曲線/函數:



      C. 最終的FSO系數:



      D. 最終的FSOTC系數:



     
  4. 將計算的FSO和FSOTC值裝載到FSO和FSOTC DAC中,如果需要,調整FSO DAC,直到電橋激勵電壓等于VBIDEAL(T2)。

這就完成了FSO和FSOTC補償。在這一點,變送器的FSO輸出必須等于VFSODESIRED電平。

 

OTC補償

由于已經收集到了計算最終OTC值所需的全部信息,可使用下式計算:



其中:
NewOTC是最終OTC系數;
CurrentOTC是OTC DAC中的當前值;
VOUT(T1)和VB(T1)是T1的最后一次測量值;
VOUT(T2)和VB(T2)是T2吸收后的第一次測量值。

把NewOTC值寫入OTC DAC,并相應的在配置寄存器中設置OTC DAC符號位。

 

OFF補償

在這一點,傳感器還應該保持在溫度T2和壓力PMIN。通過調整OFF DAC,完成T2或者T1的最終失調調整,如果需要,調整OFF DAC符號位,直到VOUT等于所需要的失調電壓(在這一例子中是0.5V)。

現在完成了傳感器補償!

 

驗證傳感器補償

把變送器置于各種溫度和壓力點下,來驗證補償效果,校驗PGAOUT。

 

實例

下面的數據展示了上面詳細闡述的過程的效果。采用了100KpaG測量傳感器(序列號:NPH-8-100GH),其輸出補償為PMIN = 0,PMAX = 100KpaG,T1 = -40°C和T2 = +125°C。目標輸出電壓為PGAOUT(PMIN) = 0.5V,PGAOUT(PMAX) = 4.5V。在補償過程完成時,補償后的變送器為T = -40°C,0°C,+25°C,+75°C和+125°C。兩點溫度補償完全消除了傳感器誤差的線性部分。補償后變送器的總誤差和未補償傳感器誤差的非線性分量大致相當。

表1列出了未補償和補償后變送器的測量輸出和計算誤差。未補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是總誤差減去所計算誤差的線性分量,誤差是指和通過數據兩個端點的直線的偏差(端點直線擬和)。表1中的數據在圖1至圖3中以曲線的形式表示。圖1所示是未補償傳感器的總誤差;圖2是未補償傳感器誤差的非線性分量;圖3是變送器補償后的總誤差。數據表明兩點補償過程完全消除了傳感器的線性分量,變送器補償后的TE和未補償傳感器的非線性分量大致相當。

表1. 未補償傳感器和補償后的變送器數據

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

在這個例子中,對極端溫度點進行了補償,對測量的數據進行了端點直線擬和,以便清楚地演示兩點溫度補償的效果。極端溫度點并不是傳感器補償最佳點,因為誤差會偏向一側(理論上,幅度加倍)。在應用中,需要憑經驗選擇最佳溫度補償點,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)溫度點將給出最佳誤差分布。如果在這個例子中選擇了最佳補償溫度點,那么,誤差分布大約在表1所示誤差一側的±½ (以0%誤差線為中心)。


圖1. 未補償傳感器總誤差—結合了一階和二階誤差


圖2. 未補償傳感器的二階誤差,是圖1中數據端點直線的偏差。


圖3. 變送器補償后的誤差。這是系數補償后的總誤差。兩點溫度補償只能糾正誤差的線性部分。

 

結論

  1. 本應用筆記旨在作為一個實例來演示遠端傳感器補償過程,介紹手動操作實現補償的方法。MAX1452用戶手冊介紹了更適合自動補償的其他方法,該手冊包含在評估板軟件工具中,可以從Maxim網站下載。

     
  2. 為充分發(fā)揮MAX1452的功能,需要進行兩次補償。第一次是確定OTC和FSOTC系數,以有效地校正TC誤差的線性分量,如本文檔所述。第二次是多點溫度補償,以正確的系數填充OFF和FSO查找表,抵消剩余的非線性TC誤差。MAX1452用戶手冊介紹了多點溫度補償過程。

     
  3. 在生產環(huán)境中,能夠以標稱值裝載OTC和FSOTC DAC,只進行一次多點溫度補償,以充分利用MAX1452的功能。之所以這樣,是因為類似傳感器的TC特性(例如,靈敏度和失調等)非常相似。在代表性的樣片上進行兩點補償就可以確定標稱OTC和FSOTC (以及PGAGAIN和IRO)值。

     
  4. 在本應用筆記中,MAX1452可以作為一種產品選擇。但是,該過程也適用于MAX1455,因為這兩種產品只有很小的差別。
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