《智能传感器系统》课件第3章.ppt

1、第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 第3章 智能传感器系统的组建与 集成调理电路芯片介绍 3.1智能传感器系统的基本组成形式智能传感器系统的基本组成形式3.2基于虚拟仪器平台实现数据采集与显示功能基于虚拟仪器平台实现数据采集与显示功能3.3电阻电桥式传感器的单片集成调理电路电阻电桥式传感器的单片集成调理电路MAX1450芯片芯片3.4适配压阻式传感器的单片集成调理电路适配压阻式传感器的单片集成调理电路MAX1460芯片芯片3.5适配变压器式传感器的单片集成调理电路适配变压器式传感器的单片集成调理电路AD698芯片简介芯片简介第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3

2、.6适配电容式传感器的集成调理电路适配电容式传感器的集成调理电路CAV414芯片芯片3.7数据采集系统数据采集系统单片集成接口芯片单片集成接口芯片ADuC8123.8温度传感器系统温度传感器系统全系统单片集成芯片全系统单片集成芯片MAX66253.9XTR101 420mA回路变送器芯片回路变送器芯片3.10适配桥路式传感器的信号调理电路适配桥路式传感器的信号调理电路ZMD31050芯片芯片3.11双轴加速度传感器系统双轴加速度传感器系统全系统单片集成芯片全系统单片集成芯片ADXL202第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 图3-1 智能传感器系统的基本组成 3.1 智能传感器系

3、统的基本组成形式智能传感器系统的基本组成形式智能传感器系统主要由传感器、调理电路、数据采集与转换、计算机及其I/O接口设备四大部分组成，如图3-1所示。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.1.1 传感器传感器传感器完成信号的获得，它将规定的被测参量按一定规律转换成相应的可用输出信号。被测参量可以是各种非电参量，也可以是电气参量。如电力输电线路高电压电网，可通过电压互感器将高电压变为100 V电压，通过电流互感器将电网大电流变为5 A后，仍需采用电压、电流传感器或变送器将100 V电压及5 A电流分别转换成5 V低电压，送入A/D转换器。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理

4、电路芯片介绍 3.1.2 信号调理信号调理(1)放大，将信号放大到与数据采集卡（板）中的A/D转换器相适配。(2)预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量，将频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆，如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号，即420 mA的电流信号，则称这种信号调理电路与传感器的组合为变送器。(3)转换，将传感器输出的电参量，如电容C、电感L或M、电阻R的改变量，转换为电压或频率量。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.1.3 数据采集与转换数据采集与转换数据采集部分由采样/保持（S/H）与多路切换开关（MUX）组成，实现对多传感器多点多通道输入信号的分时或并行采样。

5、时间连续信号x(t)经过采样后变为离散时间序列x(n)，n=0，1，2，。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 数据转换部分为A/D、D/A转换器或V/F转换器。A/D（模/数）转换器将信号的采样值转换为幅值离散化的数字量，或由V/F（伏/频）转换器转换为脉冲频率；D/A（数/模）转换器输出模拟控制信号。在以PC与传感器接合的非集成化实现方式中，A/D、D/A、MUX以及可编程放大器PAG集中放在一块DAQ数据采集卡（板）中，并将DAQ插入PC相应的空槽中。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.1.4 计算机及其计算机及其I/O接口设备接口设备（1）智能仪器式智

6、能传感器系统：以微型计算机或微处理器（Microprocessor）为核心，于20世纪80年代初开始应用，是测量技术与计算机最初结合的形式。如美国霍尼韦尔公司的ST-3000型和美国罗斯蒙特公司的3051型智能压力变送器，将微处理器所在的数据处理主板放到压力传感器腔内，将传感器与计算机赋予智能，形成了智能传感器/变送器，打破了传感器与仪器的界限。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（2）虚拟/集成仪器式智能传感器系统：以个人计算机（Personal Computer）为核心，充分利用PC的运算与分析处理功能和显示功能，打破了计算机与仪器的界限。由于其有更强大的运算与信号分析处理和

7、显示功能，所以与以微处理器为核心构成的仪器相比，虚拟/集成仪器式智能传感器系统有更强大的智能，实现起来更容易、更快捷。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 图3-1所示的智能传感器系统有多种集成实现方式，如不同组成环节的集成，有配接电阻型、电容型、电感型不同类型传感器的信号调理芯片，有数据采集、转换与微处理器的集成芯片，还有全系统的单片集成，或采用PC与其I/O接口设备DAQ（数据采集卡）硬件集成。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.2 基于虚拟仪器平台实现数据采集与显示功能基于虚拟仪器平台实现数据采集与显示功能3.2.1 数据采集卡（数据采集卡（DAQ）的基

8、本性能指标）的基本性能指标数据采集卡的主要性能指标概述如下。1 模拟信号输入部分（1）模拟输入通道数：该参数表明数据采集卡所能够采集到的最多的信号路数。（2）信号的输入方式：一般数据采集卡设备的可供选择的待采集信号输入方式有以下4种。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 单端输入：信号的一个端子接地。差动输入：信号两端均浮地。单极性：信号幅值范围为0，A，A为信号最大幅值。双极性：信号幅值范围为A，A。使用者可根据实际情况进行选择。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（3）模拟信号的输入范围（量程）：一般根据信号输入极性而定，如单极性输入的典型值为010 V，双极性

9、输入的典型值为55 V。（4）放大器增益。（5）模拟输入阻抗：采集卡固有参数，一般不由用户设置。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2 A/D转换部分1）采样速率为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复现原输入信号，由采样定理可知采样频率fs至少应为输入信号最高有效频率fmax的2倍，否则会出现频率混淆误差。实际系统中，为了保证数据采集精度，一般有下列关系：fs=(710)fmaxN （3-1）式中，N为多通道数据采集系统的通道数。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2）位数b位数是指A/D转换器输出二进制数的位数。如图3-2所示的8位A/D，当输入电压由

10、U=0增至满量程值U=UH时，一个8位（b=8）A/D的数字输出由8个“0”变为8个“1”，共计变化28个状态，故A/D转换器产生一个最低有效位数字量输出改变量，相应的输入量Umin=1LSB=q可由下式计算：12LSB1bHVq（3-2）式中，q为量化单位；UH为满量程输入电压。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 图3-2 8位A/D的输入与输出第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3）分辨率与分辨力分辨率与分辨力指数据采集卡可分辨的输入信号最小变化量。分辨率一般以A/D转换器输入的二进制位数b或BCD码位数表示；分辨力为1LSB（最低有效位数）。第3章 智能传

11、感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3 D/A模数转换部分（1）分辨率：当输入数字发生单位数码变化，即1LSB时，所对应输出模拟量的变化量即为分辨率，通常用D/A转换器的转换位数b表示。（2）标称满量程：相当于数字量标称值2b的模拟输出量。（3）响应时间：数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内（1LSB/2）所经历的时间。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.2.2 数据采集卡的安装数据采集卡的安装数据采集卡通常都是插卡式结构，即将DAQ卡插入PC相应的标准总线扩展插槽内，与PCI总线或ISA总线相连，就可在PC的控制下完成数据采集、模拟信号输出等功能。第3章 智能传

12、感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.2.3 I/O接口设备接口设备Lab-PCI-6024E数据采集卡简介数据采集卡简介 1 模拟信号输入部分（1）输入通道：16路单端接地的模拟输入通道。（2）信号的输入方式：差动方式、单端有参考地及单端无参考地方式。（3）增益：有0.5、1.0、10.0和100.0四种增益可选。（4）输入电压范围：50 mV，500 mV，5 V，10 V，单、双极性各有4挡可选。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2 A/D转换部分（1）采样速率：最高采样率为200 kHz。（2）位数：12位。3 D/A转换部分（1）分辨率：12位。（2）标称满量程

13、：10 V，10 V。（3）响应时间：10 s。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.2.4 实现数据采集卡软件驱动前的参数设置实现数据采集卡软件驱动前的参数设置1 调用“Measurement&Automation”“Measurement&Automation”图标在Windows桌面上，它是在安装完LabWindows/CVI或LabVIEW后自动产生的。调用方法：鼠标双击“Measurement&Automation”图标。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2 寻找所用NI公司数据采集卡的名称列表项执行路径：Devices and Interface

14、sTraditionalNI-DAQDevices在“Measurement&Automation”浏览窗口中应出现所用数据采集卡名称的列表项。3 参数设置出现所用数据采集卡名称的列表项后，双击Properties选项即可进入参数设置用户界面。参数设置有6项：System、AQ、AO、Accessory、OPC和Remote Access，可依据所用的具体数据采集卡的性能参数逐项进行设置。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.2.5 示例示例3-1基于基于DAQ与与PC实现虚拟仪器式的数据采实现虚拟仪器式的数据采集与显示集与显示1 信号采集与显示仪的功能该信号采集与显示仪可以

15、采集和显示一路信号，参数如下。频率范围：010 kHz。幅值范围：0.16 V。采用Lab-PCI-6024E卡，信号由0通道输入，由LabVIEW软件驱动。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2 设计提示在设计VI之前，需在“Measurement&Automation”驱动软件下，进行相关参数的设置。设置完毕后，进入LabVIEW进行前面板和流程图的设计。1）参数设置因为只需数据采集与输入，故只需设置AI项。AI设置项：因为输入信号幅值为0.16 V，故选模拟信号输入方式为有参考地单端输入，量程为010 V。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2）前面板控件

16、（1）一个输出显示型控件，显示采集信号的波形。由ControlsGraphWaveform Graph路径调用Graph控件。（2）两个输入控制型数字控件，设置采样频率和采样点数。采样频率选择100 kHz，因为被测信号的最高频率为10 kHz。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3）流程图设计双击AI Acquire Waveform.vi图标，即可进行流程图设计。参数设置如下。（1）调入路径：FunctionsNI MeasurementsData AcquisitionAnalog InputAI Acquire Waveform vi。（2）AI Acquire Wav

17、eform.vi图标及端口如图3-3所示。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 图3-3 AI Acquire Waveform.vi图标与其端口（a）AI Acquire Waveform.vi图标；（b）AI Acquire Waveform.vi图标与其端口第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 输入端口：deviceDAQ的设备号，已在Measurement&Automation中设定，本例为1。channel待采集的模拟信号输入通道号，本例由0通道输入。number of samples采样点数，本例由前面板设定。sample rate采集速率，本例由前面板

18、设定。high limit(0.0)设置模拟信号的最大输入值，已在Measurement&Automation设置软件中设定。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 low limit(0.0)设置模拟信号的最小输入值，已在Measurement&Automation设置软件中设定。输出端口：waveform存放采集所得数据的一维数组，它是前面板Graph控件的数据输入端。actual sample period：实际采样周期，这个数据和本例没有关系。设计好的前面板与流程图如图3-4所示。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 图3-4 连续信号的采集与显示演示仪（a）

19、前面板；（b）流程图第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3 运行检验将幅值在0.16 V、频率在010 kHz范围内的正弦信号或其他波形的连续信号接入采集卡的模拟0通道，然后运行程序，在面板的图形控件上应显示出该信号的波形。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.3 电阻电桥式传感器的单片集成调理电阻电桥式传感器的单片集成调理 电路电路MAX1450芯片芯片3.3.1 MAX1450芯片的引脚功能与结构框图芯片的引脚功能与结构框图1.引脚图与功能简介MAX1450采用20引脚SSOP封装，单5 V 电源供电，芯片引脚如图3-5所示。第3章 智能传感器系统的组建与

20、集成调理电路芯片介绍 图3-5 MAX1450引脚图第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2.引脚功能简介引脚1、20(INP、INM)：传感器输出信号正、负接入端，输入阻抗为1 M。引脚13、6、7(A2、A1、A0)：可编程放大器增益设置数字量输入端，连接至VDD为高电平，连接至VSS或悬空为低电平。引脚8（OFFTC）：失调温度补偿电压VOFFTC输入调节端。引脚9（OFFSET）：失调电压VOFFSET输入调节端。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 引脚4、5(SOTC、SOFF)：分别为失调温度补偿电压VOFFTC符号位、失调电压VOFFSET符号位输入

21、端。在输出VOUT=VPGAVOFFTCVOFFSET中，SOTC、SOFF连接到VDD时相应项取正，连接到VSS或悬空时取负。引脚11（FSOTRIM）：传感器桥的激励电流设置输入端。引脚17（ISRC）：电流源参考端，该端与VSS间可连接参考电阻。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 引脚18（BDRIVE）：芯片对传感器的激励电流输出端。引脚10（BBUF）：BDRIVE端的桥压缓冲输出。引脚14（OUT）：信号调理芯片的电压输出端。引脚15、19(VDD、VSS)：工作电源正、负接入端。引脚2、3、12(I.C.)：内部连接端，使用时悬空。3.结构框图与组成1)结构框图M

22、AX1450的结构框图如图3-6所示。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 图3-6 MAX1450芯片的内部结构框图第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2）单元模块简介MAX1450芯片主要由可编程放大器PGA模块与可调节激励电流源（CURRENT SOURCE）及桥压缓冲输出级模块两个单元模块组成。（1）PGA模块。PGA模块主要由三位增益可编程放大器PGA、求和单元及单位增益缓冲器（A=1）三部分组成，如图3-7所示。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 图3-7 PGA模块的主要组成部分示意图第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍

23、 三位增益可编程放大器PGA。它的增益可由A2、A1、A0三位数码进行设置，数码值与相应增益的关系如下：第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 引脚13（A2）、6（A1）、7（A0）均通过开关S接电源VDD，故当S闭合时为高电平1，S断开时悬空为低电平0，从而A2、A1、A0组成不同数码。PGA的差分输入端为INP（1脚）、INM（20脚），差分输入电平可低至1030 mV，共模抑制比高达90 dB；输入阻抗1 M。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 求和单元。将放大输出的差分信号电压与由外部施加的信号控制的失调补偿电压、失调温度补偿电压及其符号进行求和相加。单位

24、增益缓冲器A。将双端差分输入转换为单端输出，由14脚OUT输出的信号可以是：经过零点（失调）补偿、温度补偿的；与差分输入信号成比例放大了的信号。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3）电流源（CURRENT SOURCE）及桥压缓冲输出级模块 该电流源是可调节的，调节范围为0.12 mA。输出电流的大小由外接于FSOTRIM端（11脚）的电压（由外接分压器的分压决定）以及接于ISRC与VSS端的电阻确定，用于驱动外部传感器桥。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.3.2 MAX1450的基本功能与补偿校准功能的基本功能与补偿校准功能1.基本功能与初始工作状态的

25、建立MAX1450的基本功能是：向传感桥路提供工作电流；可对传感器桥路输出电压进行放大；放大倍数可由程控数字设定。实现以上基本功能的过程也是建立传感器与MAX1450的初始工作状态的过程。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 1）电桥型传感器与MAX1450的连接（1）传感器桥路供电端的连接：传感器桥路的两个供电端分别接MAX1450的18脚BDRIVE和19脚VSS(地)。（2）传感器桥路输出端的连接。传感器的两个不平衡电压输出端分别接MAX1450的1脚INP及20脚INM。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2）传感器供电电流的调定（1）用可调电阻器设置RI

26、SRC的初值。在MAX1450的17脚ISRC端与19脚VSS（地）之间接入电阻RISRC，该电阻初值由下式确定：RISRC 13Rb(3-3)式中Rb为传感器的输入/输出阻抗，在等臂电桥的情况下也是桥臂的电阻，可用万用表欧姆挡测量或由传感器技术指标资料获得。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（2）调节分压比。由外接电阻RFSOB与RFSOA串联后接电源VDD构成电压分压器，其分压端连至MAX1450的11脚FSOTRIM端。观测传感器桥路供电端，也即MAX1450的18脚BDRIVE端的电压值UBDRIVE。该电压值与传感器输入阻抗Rb以及供电电流I有如下关系UBDRIVER

27、bI(3-4)当已知Rb=2 k时，若测得UBDRIVE2.5 V，则可知工作电流I=1.25 mA，在MAX1450电流源可调节的范围(0.12 mA)内，则可视为已基本调定成功。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3）放大倍数的设置与估算（1）放大倍数APGA的估算。估算公式如下：)()(minmaxBDRIVEOUTminmaxOUTPGAPPVTSVVA(3-5)式中S(T)为室温下传感器灵敏度，表示传感器桥供电电压为1 V时，输入被测压力1PSI引起桥路输出的不平衡电压值。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 UBDRIVE为传感器供电电流调定完毕之后实

28、际的供电端电压值。Pmax、Pmin与UOUT max、UOUT min分别为传感器输入压力的最大、最小值，以及期望在MAX145014脚（OUT端）产生的输出电压最大、最小值。设S(T)=10 mV/（VPSI），UBDRIVE=2.5 V，Pmax-Pmin=2PSI，UOUT maxUOUT min=4 V，代入式（3-5），可估算所需放大倍数APGA：802PSI2.5VPS1V/mV10V4PGAA第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（2）放大倍数的设置。经估算，所需的放大倍数APGA=80，可由数码A2，A1，A0予以设定，但因MAXA1450的可编程放大器PGA能设

29、置的放大倍数只能是在39195之间一些间隔为26的离散值，增益值应取小于但最接近所需值的数值。现取A2，A1，A0=0 0 1，即6580，以防过载。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2.补偿校准功能1）参数初始化在进行补偿校准操作前，需要设置待补偿校准传感器的原始参数，称为参数初始化。这些参数可在两个压力值（最小、最大值）和两个温度点测量获得，而参数的测量应是在传感器与MAX1450相连接完成了初始工作状态的建立后进行的。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（1）Rb：室温下传感器的输入/输出阻抗（k），也是传感器桥路臂桥的电阻值。（2）TCR：传感器输入/输

30、出阻抗的温度系(ppm/)。（3）TCS：传感器灵敏度温度系数（ppm/）。（4）S(T)：室温下传感器灵敏度（mV/V/PSI）；即传感器桥供电端为1 V时，输入压力为1PSI时的输出电压。（5）S(P)：室温下传感器灵敏度的非线性误差(%FSO),或称灵敏度的线性度。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（6）Pmin、Pmax：最小、最大输入压力，单位为PSI，1PSI（磅力/英寸2）=51.715 mmHg=6890（Pa）（7）O(T)：室温下失调系数（mV/V）；在传感器桥供电端为1 V，输入压力为零时输出的不平衡电压。（8）OTC：失调温度系数（ppm FSO/）。第

31、3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2）满量程校准满量程校准可在室温T1下进行。假设传感器桥压设置在2.5 V，最小压力输入下芯片输出UOUT min为0.5 V，最大压力输入下芯片输出UOUT max为4.5 V，这时，应按如下步骤进行调整。（1）调节电阻RFSOA，使芯片FSOTRIM端电压UFSOTRIM为2.5 V，然后调节RISRC，使UBBUF为2.5 V。（2）调节ROFFA，改变OFFSET端电压，使芯片在最小压力输入下失调输出为0.5 V。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（3）测最大压力输入下的输出UOUT FSO。（4）用下式计算电压UBID

32、EAL(T1=25)：UBIDEAL(T1=25)=UFSOTRIMFSO OUTFSO OUTmaxOUT1UUU如果计算出的UBIDEAL超出桥路电压的允许摆幅（USS+1.3 VUDD1.3 V），则需要重新设置PGA的增益。若UBIDEAL太低，可降低一个步长的增益；UBIDEAL太高，可增加一个步长的增益，然后重新回到第一步，直到UBIDEAL在规定的摆幅内。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3）满量程温度系数补偿连接于BBUF和ISRC端的电阻RSTC被用于满量程温度系数补偿。对于大多数硅压力传感器，其典型值在100 k左右。用可调电阻器设置RSTC的初值：RST

33、C (3-6)式中，TCR为传感器输入/输出阻抗的温度系数；TCS为传感器灵敏度温度系数。CSCRISRC500TTR第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 4）失调温度系数补偿使ROTCB=100 k，可变电阻ROTCA=200 k，调整合适的阻值比，并根据此比值选择SOTC端的连接。SOTC端接VDD时为正，SOTC端接VSS或悬空时为负。ROTCB和ROTCA的阻值比应满足下式要求：BDRIVECSOUTminOUTmaxOTCBOTCAOTCA15.1)(OTCUTUURRR(3-7)式中，OTC为失调温度系数，TCS为传感器灵敏度温度系数。第3章 智能传感器系统的组建与集

34、成调理电路芯片介绍 补偿过程调节如下：（1）在温度T1(25)、T2环境下，分别测量输出失调电压UOUT FSO及BDRIVE端的电压UBDRIVE值。（2）调节ROTCA，使OFFTC端电压满足下式：15.1)()()()()(2BDRIVE1BDRIVE2OUTFSO1OUTFSO2OFFTCTUTUTUTUTU(3-8)如果UOFFTC(T2)为正，STOC端接VDD；UOFFTC(T2)为负，则SOTC端接地或悬空。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 5）失调校准校准过程如下：（1）在温度T1(25)环境下，先使UOFFSET=0 V，测量最小压力输入下的输出失调电压U

35、ZERO。若UZERO0.5 V，SOFF端接VSS或悬空。（2）调节ROFFA，直到最小压力输入下的输出失调电压UOUT min=0.5 V（期望失调输出）。（3）若PGA的增益改变，以上步骤需重新进行。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 6)线性校正（可选）线性校正是将输出电压UOUT通过电阻RLIN反馈到ISRC端，用调节电流源的输出来实现的。因为线性校正需要的一些系统变量不易测量，所以线性误差的校正只能通过经验估算法选取合适的RLIN。（1）按如下经验公式选择可变电阻RLIN的值：)()(2STCISRCSTCISRCLINmaxpSRRRRU(3-9)第3章 智能传感

36、器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 式中S(p)为室温下传感器灵敏度的非线性误差或称灵敏度的线性度。（2）在（50%100%）RLIN max范围内取RLIN的几个典型值，测量相应的非线性误差，建立一个关系表，从中选择合适的RLIN大小。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.4 适配压阻式传感器的单片集成适配压阻式传感器的单片集成 调理电路调理电路MAX1460芯片芯片3.4.1 结构框图结构框图MAX1460器件的内部结构可分为四大主要组成部分：模拟前端模块、数字处理模块、输出模块以及测试接口部分。其内部功能结构框图如图3-8 所示。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电

37、路芯片介绍 图3-8 MAX1460的内部功能结构框图第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.4.2 功能与原理简介功能与原理简介1 模拟前端模块（1）具有误差校正功能的可编程放大器（PGA&误差校正）。其中的可编程放大器PGA可由二位数码（D1D0）来设置增益，对来自外部配接传感器的信号进行放大；误差校正功能是对输入信号进行粗偏置调整，由三位数码（D2D1D0）控制一个失调校正电路，使失调校正信号落在ADC的动态范围内，控制字来自片内的配置寄存器。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.4.2 功能与原理简介功能与原理简介1 模拟前端模块（1）具有误差校正功能

38、的可编程放大器（PGA&误差校正）。其中的可编程放大器PGA可由二位数码（D1D0）来设置增益，对来自外部配接传感器的信号进行放大；误差校正功能是对输入信号进行粗偏置调整，由三位数码（D2D1D0）控制一个失调校正电路，使失调校正信号落在ADC的动态范围内，控制字来自片内的配置寄存器。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（3）多路开关（MUX）。将已进行偏置调整设置的片内温度传感器的输出信号与片外传感器的输出信号依次导入模/数转换器。（4）16 bit ADC。这是一个16位-型模/数转换器，其动态范围为双极性VDD+VDD。当ADC的输入信号幅值在85%VDD范围内时，有很高的

39、模/数转换精度。2 引脚功能MAX1460的引脚图如图3-9所示。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 图3-9 MAX1460的引脚图第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3 数字处理模块及温度补偿MAX1460内有一个低功耗的16 bit数字信号处理器，即DSP，因而可以按照用户确定的校正方程对模拟前端送来的量化后的输入信号S和温度信号T进行融合计算，对输入信号S进行温度补偿后再给予输出。已知传感器灵敏度G定义式为SDG(3-10)式中D为输出改变量或输出信号；S为输入改变量或输入信号。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 当在全量程温度变化范围内

40、传感器的输入输出特性不变，G为常量时，输出信号D=G S，可以很方便地求出。如果灵敏度G不为常量，随温度T呈非线性变化，即G=Gain(1+G1T+G2T2)(3-11)式中Gain为初始室温下传感器的灵敏度；G1、G2分别为传感器灵敏度的一阶、二阶温度系数，或称为一阶、二阶灵敏度温度系数。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 另外，在被测量为零时，传感器桥路有不平衡电压输出，该输出称为零位输出，或称失调，传感器的零位/失调输出电压也将随温度T呈非线性变化，即of=of0+of1T+of2T2 （3-12)式中of0、of分别为传感器在室温、温度T时的零位/失调电压值;of1、o

41、f2分别为一阶、二阶零位/失调温度系数。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 将式（3-11）与式（3-12）代入式（3-10），可得外接传感器的温度补偿计算式，即校正方程如下：D=Dain(1+G1T+G2T2)(S+of)+DOFF (3-13)式中DOFF是偏移调整量。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 4 输出模块输出模块含12位并行数字输出口D11.0、12位数/模转换器DAC、运算放大器OPAMP等。经过校正的数字信号可以直接从12位并行数据口输出，也可以经过12位 DAC的数/模转换后再从模拟输出口输出。除此之外，用户可以利用运放OPAMP来构成一个

42、低通滤波器，以对DAC的输出进行滤波。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 5 测试接口对MAX1460的测试可以通过芯片的测试接口来实现。接口信号主要有片选信号（CS1和CS2）、启动信号（START）、测试使能信号（TEST）、复位信号（RESET）、串行数据信号（SDIO，SDO）和转换结束标志信号（EOC）。测试者可以按照给定的操作时序来通过此接口对芯片进行配置、写入校正系数（以确定校正方程）以及读出经DSP补偿校正的结果。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.5 适配变压器式传感器的单片集成适配变压器式传感器的单片集成调理电路调理电路AD698芯片简介

43、芯片简介AD698与LVDT配合，能够精确地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。AD698具有所有必不可少的电路功能，只要增加几个外接无源元件来确定励磁频率和增益，就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.5.1 LVDT变压器式传感器简介变压器式传感器简介1 LVDT变压器式位移传感器工作原理LVDT是一种将机械线位移x(t)转换成电压输出的变压器式传感器，由一个初级线圈和两个相同的但反向串接的次级线圈组成。因两个次级线圈完全相同且反接，故磁芯位置居中时次端两个线圈感生电势相等，输出信号uo(t)=0；当磁芯离

44、开平衡位置时改变了初、次级线圈的互感，从而在两个次级线圈中产生的感生电压数值不等，于是输出信号uo(t)0。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 输出信号uo(t)是一个调幅波，其幅值反映磁芯偏离中心平衡位置位移x(t)的大小，其相位反映磁芯上、下移动的方向，数学表达式如下uo(t)=K x(t)sinc(t)(3-14)式中：c(t)=2fc，称为载波频率，是初级线圈激励信号e(t)的角频率，选定后保持恒定；x(t)称为调制信号，是磁芯偏离平衡中心的位移；K为常量，与变压器初级线圈有效电阻和自感以及与激励信号e(t)的幅值（选定后保持恒定）有关。第3章 智能传感器系统的组建与集

45、成调理电路芯片介绍 2 LVDT与AD698的连接LVDT的初级线圈与AD698的四个引脚相连：经引脚2、3（EXC1、EXC2）由参考正弦波激励源e(t)向LVDT初级线圈提供驱动功率；与引脚10、11（BIN）相连，从而通道B的输入信号为LVDT的初级激励源信号e(t)。LVDT的次级线圈与AD698的两个引脚12、13（AIN）相连接，于是通道A的输入是LVDT的次级输出信号uo(t)。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.5.2 AD698的结构框图与工作原理的结构框图与工作原理1 结构框图AD698芯片内部主要由激励源、同步比率解调及滤波放大输出三大模块组成，其结构

46、框图如图3-10所示。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 图3-10 AD698的结构框图第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2 工作原理1）激励源模块 该激励源的任务是向外接的LVDT传感器初级线圈提供驱动功率。激励源由电压参考、振荡器、放大器构成。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 振荡器为多谐振荡器，该多谐振荡器产生一个三角波，并驱动正弦波发生器产生一个低失真的正弦波，正弦波的频率和幅值由外接电阻器R1和外接电容器C1决定。输出频率fc在20 Hz20 kHz范围内可调，输出有效幅值在224 V可调。总谐波失真的典型值是50 dB。振荡器输

47、出信号经过功率放大器后获得足以驱动LVDT传感器的激励信号e(t)。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 2）同步比率解调模块 同步比率解调模块由两个性能相同、相互独立的调幅波同步解调通道A与B以及占空比除法器组成。（1）双通道调幅波解调器。同步解调通道的主要环节是由相敏检波器与低通滤波器组成的调幅波解调器。尽管两个通道结构性能相同，但因输入的信号不同，故两个通道的输出信号A与B完全不同。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 B通道输入信号是e(t)，它是频率在20 Hz20 kHz范围的高频载波等幅正弦波经相敏检波后为一全波整流信号，再经低通滤波后输出信号B为纹波

48、很小的直流信号。A通道输入信号是uo(t)，它是幅度被x(t)调制的调幅波。经相敏检波后信号幅值的包络线正比于检测位移信号x(t)，即调制信号，其相位反映被测位移信号x(t)的正、负极性。再经低通滤波后输出信号B，即为待求的被测信号x(t)。这时可以说x(t)已被从载波e(t)上提取出来。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 传统的LVDT位移传感器的调理电路就是这样一个相敏检波器与低通滤波器组成的单通道解调电路。单通道解调器易受电源电压波动或失调漂移影响，采用双通道同步解调模块可实现比值A/B与被测信号x(t)成正比，可消除共模干扰影响，从而大大提高测量准确度。第3章 智能传感

49、器系统的组建与集成调理电路芯片介绍（2）占空比除法器。占空比除法器是将输入信号A、B执行比值运算的计算器。它输出一矩形脉冲波，矩形脉冲波的占空比与输入信号A、B的比值A/B成正比，故是一种脉宽调制信号。当A=B时，占空比为100%，这个矩形脉冲波也可作为输出信号，用于要求脉宽调制信号作为输出信号的场合。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3）滤波、放大输出模块 该模块进一步对除法器输出信号进行滤波与放大。滤波器除了滤除激励源与高频噪声的干扰外，还将信号平滑为直流输出。放大器是一个电流放大器，占空比除法器输出的脉宽调制信号先被转换为一参考电流调制信号i，即i与矩形脉冲波的占空比成

50、正比，也即与比值A/B成正比：第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 i=Iref A/B （3-15）式中Iref=500 A，是标定值为500 A的参考电流。电流放大器将调制了的电流信号i转换为电压输出信号UOUT：UOUT=i R=Iref A/B R2 （3-16）于是，AD698最终输出电压UOUT与比值A/B成正比，也即与被测信号x(t)成正比。第3章 智能传感器系统的组建与集成调理电路芯片介绍 3.5.3 主要参数设置与使用方法主要参数设置与使用方法1 确定激励信号e(t)的频率fEXC激励信号e(t)的频率也即振荡器的振荡频率，是根据系统的带宽来确定的。（1）AD6