MAX1452高性能模擬信號調(diào)理器通過片內(nèi)閃存查找表或者OTC和FSOTC DAC實現(xiàn)線性補(bǔ)償。對于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來補(bǔ)償傳感器輸出。本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹實現(xiàn)這類遠(yuǎn)端傳感器補(bǔ)償?shù)倪^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通路。各種工業(yè)和汽車傳感器領(lǐng)域都采用了信號調(diào)理器，包括只限于對兩個溫度點(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，并且無法將傳感器和信號調(diào)理器保持在同一溫度下。

MAX1452信號調(diào)理器支持兩種補(bǔ)償方法：

第一種方法在兩個溫度點(diǎn)之間進(jìn)行線性外推處理(針對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)來更新OFF和FSO DAC，從而補(bǔ)償輸入信號。

在第二種方法中，把OFF和FSO查找表當(dāng)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(shù)，該電壓是OTC和FSOTC DAC的基準(zhǔn)電壓。根據(jù)補(bǔ)償期間的測量結(jié)果，計算OFF、FSO、OTC和FSOTC DAC的值。當(dāng)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(yīng)該產(chǎn)生相似的結(jié)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(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。變送器通過補(bǔ)償來產(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，滿量程壓力檢測輸出電壓[VOUT(PMAX)]應(yīng)該是4.5V。補(bǔ)償過程至少需要兩個壓力點(diǎn)(零和滿量程)以及兩個任意溫度點(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，以降低整個工作溫度范圍內(nèi)的誤差。

下面列出了補(bǔ)償過程的主要步驟：

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)償過程中過載。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(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0.0364V輸出和4.0V VFSODESIRED的傳感器需要110V/V的信號增益。根據(jù)數(shù)據(jù)資料的PGA表，選擇PGA[3:0] = 0110，它對應(yīng)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(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：對于+30mV失調(diào)的傳感器，選擇IRO[2:0] = 011，符號位 = 0，對應(yīng)于-27mV失調(diào)校準(zhǔn)。

選擇初始OTC DAC值

通常情況下，因為在以后補(bǔ)償OTC，因此一開始可以把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。可以按下面的公式來計算初始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，直到電橋激勵電壓接近2.5V。

測量電橋激勵電壓(VB)。

調(diào)整OFF DAC，將PGAOUT電壓設(shè)置為0.5V。

測量PGAOUT，VOUT(PMIN)。

傳感器加載PMAX。PMAX代表最大壓力。

測量PGAOUT，VOUT(PMAX)。

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(diào)整PGAGAIN設(shè)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(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

可以通過四個步驟來確定FSO和FSOTC系數(shù)。在第一步中，確定在T1產(chǎn)生VBIDEAL的兩對FSO和FSOTC值。在第二步中，確定在T2產(chǎn)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(yīng)的公式中，計算補(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)

T2的理想電橋電壓，VBIDEAL(T2)

計算FSO和FSOTC系數(shù)。

將計算的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VFSO

DESIRED

電平。

OTC補(bǔ)償

由于已經(jīng)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(shù)；
CurrentOTC是OTC DAC中的當(dāng)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(yīng)的在配置寄存器中設(shè)置OTC DAC符號位。

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!

驗證傳感器補(bǔ)償

把變送器置于各種溫度和壓力點(diǎn)下，來驗證補(bǔ)償效果，校驗PGAOUT。

實例

下面的數(shù)據(jù)展示了上面詳細(xì)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(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)償過程完成時，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)償后變送器的測量輸出和計算誤差。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是總誤差減去所計算誤差的線性分量，誤差是指和通過數(shù)據(jù)兩個端點(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)

在這個例子中，對極端溫度點(diǎn)進(jìn)行了補(bǔ)償，對測量的數(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O端溫度點(diǎn)并不是傳感器補(bǔ)償最佳點(diǎn)，因為誤差會偏向一側(cè)(理論上，幅度加倍)。在應(yīng)用中，需要憑經(jīng)驗選擇最佳溫度補(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±? (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實例來演示遠(yuǎn)端傳感器補(bǔ)償過程，介紹手動操作實現(xiàn)補(bǔ)償?shù)姆椒āAX1452用戶手冊介紹了更適合自動補(bǔ)償?shù)钠渌椒ǎ撌謨园谠u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用戶手冊介紹了多點(diǎn)溫度補(bǔ)償過程。

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，是因為類似傳感器的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，該過程也適用于MAX1455，因為這兩種產(chǎn)品只有很小的差別。

審核編輯：郭婷