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[技术]补偿传感器温度漂移的自适应偏置技术

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文章出处:上仪营销中心技术部 [2007/4/20 ]
责任编辑:上仪营销中心技术部
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    传感器电子电路的主要目标是为控制单元提供与被测物理量呈正比的“纯净”信号。通常,来自传感器的信号经过调整后,再进行模数转换。每一个阶段都会产生误差,并被累加到被测信号上。噪声通常被低通滤波器立即消除,模数转换误差也被限制在可接受的范围内,而通过选择所需的最高分辨率,传感器的热效应误差也可以忽略不计,或者更可能的是在数字域内对其进行补偿。
    只要系统外围的检测器数目相对较少,那么在数字域进行的热补偿是可以接受的。不过,随着传感器数量的不断增加,系统的可靠性和性能将急剧下降。因此,自适应传感器偏置技术成为解决这个问题的关键。
    现在以桥式压力传感器为例来说明此问题。在这种类型的设计中,四个将压力转换成电阻值的传感器被搭成惠斯通电桥(见图1)。参考电压施加在其中的一组对角上,阻抗值的任何变化都将在另一组对角的电压值上反映出来。理想情况下,当没有施加压力时,四个阻抗值是相等的,惠斯通电桥处于平衡状态,因此没有电压输出。不过,环境的热效应将使系统产生微小的不平衡,从而导致在被测电压中出现噪声。
    因此,我们的挑战是设计一个能够对热漂移进行动态补偿的系统解决方案,以便在整个工作温度范围内,当没有压力输入时,电路没有电压输出。此外,在全温度范围内,对于一个给定的压力值,电路的输出应该是一个恒定值。
    惠斯通电桥两个电压输出的差值必须被分解为两种不同的量:代表所测压力的电压和偏移电压。对一个给定的恒定温度,电压差的变化范围称为跨距(Span),它起始于偏移电压。惠斯通电桥需要增加两个额外的电路来补偿跨距和偏移值的变化。每个电路模块都由数字控制电位器(DCP)产生的可变电阻进行动态控制。Pot1和Pot2是DCP的模拟电阻阵列,阻值分别为“a”和“b”(见图2)。
  只要传感器工作在等温环境中,传感器的偏移和跨距就将保持在预期的范围内,因此“a”和“b”将固定不变。一旦温度变化,为了使传感器的输出保持在稳定的特性范围内,就必须重新调整这些滑动触点的位置。在这种情况下,“a”和“b”的调整标准将由外部温度 传感器和DCP中的片上EPROM寄存器共同提供。DCP根据传感器的温度和压力特性,执行查找表操作,找出事先存储在EPROM中对应的典型差分电压。
    虽然以上分析是基于压力传感器电路,但主要的原理(如传感器偏移和跨距的热漂移)能够以类似的方式适用于其它任何传感器电路。使用Xicor公司自适应、可重调整电位器的XDCP解决方案,将为这些应用增加更多的自由度。
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