壓力傳感器信號調(diào)理器及其校準(zhǔn)系統(tǒng)

信號調(diào)理器常常被放置在壓力傳感器中，以補(bǔ)償傳感器在不同溫度下的誤差?，F(xiàn)在，市場上能夠買到低成本的信號調(diào)理器，它們可以**地放大壓力傳感器信號、補(bǔ)償傳感器的溫度誤差，并且能夠直接控制校準(zhǔn)過程?？上У氖?，隨著信號調(diào)理器變得越來越完善，開發(fā)能夠批量測試和校準(zhǔn)這些器件的軟硬件需要花費(fèi)大量的時間，拖延了產(chǎn)品的上市時間。
　　本文介紹的校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠讓制造商在完成設(shè)計(jì)后的很短時間內(nèi)生產(chǎn)出中等批量的、經(jīng)過測試和校準(zhǔn)的壓力傳感器和信號調(diào)理器組件。
傳感器信號調(diào)理器
·靈活的溫度補(bǔ)償——有些信號調(diào)理器允許設(shè)計(jì)工程師在多達(dá)100個溫度補(bǔ)償點(diǎn)校準(zhǔn)傳感器輸出，使工程師能夠按照誤差與壓力傳感器溫度曲線之間的關(guān)系進(jìn)行匹配，從而減小溫度對傳感器的影響。可修正的誤差包括整個溫度范圍內(nèi)的零點(diǎn)和滿量程增益誤差。溫度傳感器用來跟蹤壓力傳感器的環(huán)境溫度。
·電流或電壓輸出，以適應(yīng)多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的幅度范圍——汽車工業(yè)要求信號調(diào)理器提供0.5V~4.5V輸出，工業(yè)和過程控制應(yīng)用通常要求4mA~20mA輸出，而測試設(shè)備輸出要求0~5V的輸出范圍。通過采用多電壓量程或電流輸出的信號調(diào)理器，設(shè)計(jì)人員無須為每個應(yīng)用設(shè)計(jì)一個電路板。
·全模擬信號通道，無須信號數(shù)字化——保持壓力傳感器輸出的模擬信號可避免由于數(shù)字化傳感器輸出而帶來的任何量化噪聲。
·更寬的電流或電壓輸入范圍，使信號調(diào)理器兼容于更多的傳感器。
·低功耗——手持和便攜式設(shè)備通常要求低功耗器件，而這里介紹的信號調(diào)理器僅消耗2mA的電流。
圖1是目前信號調(diào)理器所采用的結(jié)構(gòu)簡圖。圖中，來自壓阻傳感器的信號(或其它類型的傳感器)先經(jīng)過放大，再采用存儲于EEPROM中的預(yù)置數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
　　通常，如果產(chǎn)品結(jié)合專用器件的軟件，提供一個友好的用戶PC界面去控制信號調(diào)理器，將節(jié)省大量的時間。Maxim公司的MAX1452評估套件就包含了這樣的軟件，能夠通過串口與PC連接。
提取器件特征和測試器件的步驟
步驟1 工程師在確定補(bǔ)償系數(shù)之前，必須先提取壓力傳感器(通常為壓阻式)在整個溫度范圍內(nèi)的特征參數(shù)，計(jì)算出合適的修正點(diǎn)，以產(chǎn)生期望的輸出。采用多少點(diǎn)修正取決于壓力傳感器的線性度和用戶期望的精度，將特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成期望輸出的點(diǎn)即為數(shù)據(jù)補(bǔ)償點(diǎn)。
步驟2 必須開發(fā)一個軟件，以便用戶能夠?qū)崿F(xiàn)PC與多個信號調(diào)理器的通信，使用戶能夠?qū)?*步計(jì)算出的補(bǔ)償數(shù)據(jù)存入多個信號調(diào)理器的EEPROM中。
步驟3 在準(zhǔn)備好烘箱、壓力源、電源等設(shè)備后，還需要開發(fā)一個實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制和數(shù)據(jù)采集的程序。許多電源、示波器以及其它測試設(shè)備都具有現(xiàn)成的程序代碼，允許用戶與這些指定設(shè)備通信。
步驟4 建立一個測試夾具，以允許多個測試器件(DUT)連接至PC和測試設(shè)備。這樣就能夠同時測試多個器件。通常，安排一組復(fù)用板來完成此項(xiàng)任務(wù)。
步驟5 工程師在確定修正系數(shù)之后，還需保證器件和測試設(shè)備之間通信，安裝測試夾具，以及準(zhǔn)備好所有必需的測試設(shè)備，確定和編寫一個控制程序，以管理和執(zhí)行測試過程。
　　事實(shí)上，這種處理過程幾乎同設(shè)計(jì)壓力傳感器產(chǎn)品一樣困難。同時，測試條件通常是圍繞著某種特定的壓力傳感器而設(shè)計(jì)的，這就意味著無法借用其它相同的測試條件。
縮短產(chǎn)品上市時間
　　從市場的發(fā)展?fàn)顩r看,產(chǎn)品的上市時間每延遲六個月，將失去總預(yù)期銷量的一半。設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)是巧妙縮短產(chǎn)品的上市時間，同時，由于采用先進(jìn)的信號調(diào)理器還可獲得一定的成本節(jié)余。
　　除了能夠提供測試設(shè)備外，先進(jìn)的校準(zhǔn)系統(tǒng)還使設(shè)計(jì)者從上述種種設(shè)計(jì)壓力下解脫出來。這些系統(tǒng)具備軟件和接口能力，可適應(yīng)現(xiàn)有設(shè)備。采用LabVIEW或C語言編寫的源代碼，校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠發(fā)出命令至溫控烘箱、經(jīng)過校準(zhǔn)的壓力源、供電電源以及數(shù)字萬用表等設(shè)備。這些系統(tǒng)能夠同時對100個器件進(jìn)行特征數(shù)據(jù)的測量，并計(jì)算修正系數(shù)。工程師僅需要提供測試設(shè)備即可建立一個完整的特征/校準(zhǔn)自動測試設(shè)備。由于系統(tǒng)能夠同時對100個器件進(jìn)行校準(zhǔn)，公司在大規(guī)模生產(chǎn)條件建立之前就能夠生產(chǎn)出成千上萬個經(jīng)過校準(zhǔn)的壓力傳感器，將產(chǎn)品面世時間縮短6個月以上。
　　圖2闡述了測試條件中校準(zhǔn)系統(tǒng)(MAX145x)的作用。MAX145x校準(zhǔn)系統(tǒng)經(jīng)過工廠調(diào)整后能夠提供特定的應(yīng)用和傳感器校準(zhǔn)，同時還給用戶留出空間，以進(jìn)一步制定測試過程。
結(jié)語
　　信號調(diào)理器校準(zhǔn)系統(tǒng)使生產(chǎn)廠商在原理樣機(jī)完成后，能夠輕松而快捷地滿足小訂單的要求。通過簡化信號調(diào)理器的設(shè)計(jì)和測試過程，顯著地縮短了產(chǎn)品的上市時間。因此，在傳感器領(lǐng)域中，校準(zhǔn)系統(tǒng)和高集成度的信號調(diào)理器已經(jīng)成為不可缺少的工具。