本應用筆記解釋了壓阻式傳感器在整個溫度范圍內具有非線性誤差。通過使用Maxim傳感器信號調理器和變送器傳輸傳感器信息，可以將該誤差降低到傳感器固有重復性限制的1%以內。一種傳輸方法使用脈寬調制（PWM）調制比例輸出。與電流環(huán)路輸出一樣，PWM輸出具有良好的抗噪性，適合長距離傳輸。具有MAX1452傳感器信號調理器。

介紹

當今的大多數(shù)硅壓阻式傳感器都用于壓力傳感應用。它們使用體微加工技術制造，通常布置為單個單片芯片上的四電阻惠斯通電橋。與集成電路一樣，傳感器價格低廉，因為它們是在包含數(shù)百到數(shù)千個傳感元件的晶圓上加工的。到目前為止，這些IC傳感器中的大多數(shù)都用于汽車、消費電子和工業(yè)應用的中低精度要求。

眾所周知，壓阻式傳感器在整個溫度范圍內具有非線性誤差，這限制了它們在高端市場的使用，目前由更昂貴的應變片和其他傳感器類型解決。校正硅壓阻式傳感器的復雜誤差通常需要大量的電子元件，但Maxim的傳感器信號調理器（MAX1450、MAX1452、MAX1455、MAX1462和MAX1464）可將這些誤差校正在傳感器固有重復性限制的1%以內。Maxim的傳感器信號調理器可制造出價格低廉的傳感器，在寬工作溫度范圍內提供<1%的總誤差。

電流環(huán)傳感器的優(yōu)點

最常見的傳感器輸出是比例輸出（0.5V至4.5V）和電流環(huán)路輸出（4mA至20mA）。標準比率電路在整個溫度范圍內補償傳感器，失調為0.5V，量程為4.0V。電流環(huán)路的所需失調為4mA，所需量程為16mA，與電壓輸出傳感器相比具有若干優(yōu)勢。電流環(huán)路不需要精確穩(wěn)定的電源電壓;它們對V = IR壓降不敏感，使其適合長距離傳輸;通常用于電流環(huán)路的 2 線雙絞線具有非常好的抗噪性。通過信息傳輸不需要的4mA電流遠程供電。4mA失調還區(qū)分了零（4mA）和無信息（無電流）。

脈寬調制 （PWM） 提供更好的運行效率

傳輸傳感器信息的另一種方法是使用脈寬調制（PWM）調制比率輸出。調制信號（VM） 是傳感器的比率輸出。在PWM配置中，所需的失調對應于10%的占空比，跨度對應于80%的占空比。當傳感器的比例輸出從0.5V變?yōu)?.5V時，相應的占空比從10%變?yōu)?0%。與電流環(huán)路輸出一樣，PWM輸出具有良好的抗噪性，適合長距離傳輸。

PWM 在電池供電應用中提供更好的運行效率。在5V系統(tǒng)中，電流環(huán)路傳感器需要20mW至100mW的信息傳輸。當PWM發(fā)射器連接到高阻抗節(jié)點時，使用PWM傳輸比率公制輸出將需要小于1mW的功率。

生成PWM信號的最簡單方法是將消息信號與三角形或斜坡波形進行比較。當輸入大于三角波形（載波）時，產(chǎn)生的輸出為高電平，當輸入較小時，產(chǎn)生的輸出為低電平（圖1）。因此，PWM所需的兩個基本模塊是三角波形發(fā)生器和比較器。

圖1.如圖所示配置的比較器產(chǎn)生PWM輸出。

圖2中，MAX492運算放大器產(chǎn)生三角波形，MAX942比較器產(chǎn)生PWM輸出信號。該電路的波形和相關公式如圖3所示。

圖2.這種基本配置中的三角波由雙通道運算放大器（U1）產(chǎn)生。PWM 信號由雙通道比較器 （U2） 產(chǎn)生。

圖3.這些波形和公式說明了圖2中電路的工作原理。

MAX492雙通道軌到擺幅運算放大器產(chǎn)生三角波。需要軌到軌能力，因為三角波形的動態(tài)范圍必須大于傳感器的動態(tài)范圍。積分器電路（U1-A）產(chǎn)生斜坡或負斜坡，斜率由R確定F和 CF.比較器級（U1-B）反轉斜坡的斜率，三角波形頻率由圖3中的公式給出。對于所示的元件值，斜坡頻率和PWM輸出約為500Hz。雖然圖2和圖4中未顯示，但電源端子應包括0.1μF去耦電容。

雙通道比較器（MAX942）將斜坡波形與傳感器的模擬電壓進行比較。該比較器具有應用所需的軌到軌輸入范圍。R1和R2提供遲滯，確保在傳感器輸入快速變化的情況下PWM輸出的精度。U2-A 提供 PWM 輸出，U2-B 提供隔離和額外緩沖。

在完整的PWM傳感器電路（圖4）中，MAX1452信號調理器為惠斯通電橋產(chǎn)生比例補償輸出，然后轉換為PWM輸出。當MAX1452輸出隨壓力變化時，PWM輸出占空比也隨之變化。注意，MAX1452可以用前面提到的任何模擬輸出、信號調理專用IC（ASIC）代替。

圖4.惠斯通電橋（左上）的激勵電壓與該完整PWM傳感器電路中的電源成比例。

傳感器補償需要精確測量PWM輸出的脈沖寬度，而用于此目的的一種儀器是具有脈沖寬度測量選項的頻率計數(shù)器。您還可以將PWM輸出連接到微控制器，然后使用控制器的內部定時器計算從低到高和高到低轉換之間的時間間隔。無論采用哪種方式，測得的PWM值都用于計算對信號調理IC（例如MAX1452）進行編程所需的系數(shù)。

使用 PWM 輸出進行傳感器校準

MAX1452包含16個2位數(shù)模轉換器（DAC）、溫度傳感器和溫度索引系數(shù)表，適用于大多數(shù)橋式傳感器的溫度補償和線性化。偏移、量程、失調TC和量程TC的參數(shù)可以通過加載具有唯一校準值的四個相應DAC來校正。量程和失調DAC中加載的值來自查找表。與上一代信號調理器中使用的<>點補償算法相比，這種溫度驅動的查找表增加了靈活性并簡化了校準過程。

校準涉及為所有四個DAC加載對相關傳感器系列有效的標稱初始值。然后將傳感器設置為溫度 T1，并施加最大壓力。相應的PWM輸出（PWMFS）使用上述方法之一進行測量。接下來，測量最小壓力 （PWM0） 的 PWM 輸出。PWM 跨度為 PWMSpanT1 = PWMFS -PWM0。由于所需量程通常為 80%，因此可以使用以下表達式計算所需的量程 DAC 值：

IdealSpanDACT1 = CurrentSpanDAC × 80%/PWMSpanT1

然后，將失調DAC設置為獲得占空比為10%的輸出。

要獲得量程和失調DAC的值，請在溫度T2下對傳感器重復上述步驟。您可以添加更多溫度點（最多 114 個）以獲得更高的精度。編程多達 114 個獨立的 16 位 EEPROM 位置，可在 –1°C 至 +5°C 溫度范圍內以 40.125°C 的增量進行校正。（加載到查找表中的校正系數(shù)是每個DAC在每個溫度下記錄的值之間的線性插值。多點功能不僅可以實現(xiàn)簡單的一階傳感器補償，還可以匹配異常的溫度曲線。按照上述電路的此過程，可以快速、高效地補償傳感器，并且補償其固有的重復性誤差在0.2%以內。

審核編輯：郭婷