CN114383773A - 用于桥式传感器的非线性矫正系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于桥式传感器的非线性矫正系统，包括压阻桥式传感器、负反馈电路以及输出增益放大器；通过引入负反馈电路以改变压阻桥式传感器的激励电压，同时改变输出增益放大器的放大倍数，从而对原桥式非线性系统进行补偿；负反馈电路包括依次连接的求和模块、线性化数模转换器和反馈放大器，反馈电压施加在反馈放大器上；求和模块的输入端分别接受经反馈放大器和线性化数模转换器放大转换后的反馈电压、以及经激励系数衰减作用后的参考电压；求和模块输出的激励电压施加在压阻桥式传感器上。本发明利用所述非线性矫正系统，对压阻桥式传感器的非线性特性进行补偿，可以将非线性误差降低50倍，达到很好的线性化效果。

Description

用于桥式传感器的非线性矫正系统
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及用于桥式传感器的非线性矫正系统。
背景技术
现有压力传感器在施加压力时具有明显的非线性输出，即压力传感器在其量程范围内压力变化和输出电压信号之间呈非线性关系，这会影响压力采集系统的功能和精度。现有的线性化技术有：
硬件电路的补偿方法，通常是采用模拟电路、数字电路，如二极管阵列开方器，各种对数、指数、三角函数运算放大器等数字控制分段矫正、非线性A/D转换等等。这种方法主要是利用非线性器件或者某种元件的非线性区域，例如将二极管或三极管置于运算放大器的反馈回路中构成对数运算放大器。对数运算放大器可以对输入信号进行对数运算，从而构成非线性函数运算放大器。它可以用于非线性矫正电路之中对输出信号进行非线性矫正。目前最常用的硬件电路补偿非线性方法是利用二极管组成非线性电阻网络，配合运算放大器产生折线形式的输入输出特性曲线从而逼近理想曲线。但这种方法会使电路成本和板级面积增加，同时其精度也容易受到温度梯度的影响。
微机软件的补偿方法，利用微机的运算功能进行自动检测系统的非线性进行补偿。线性化软件处理经常采用线性插值法、二次曲线插值法和查表法。但这种方法需要将电路输出输入到微机进行计算，成本增加，实用性降低。
直接线性化，将输入量和输出量的确定函数关系用直线代替，这种方法在保证误差不超过允许精度的范围内是可行的。所选的拟合直线如理论拟合、过零旋转拟合、端点连线拟合、端点平移拟合和最小二乘拟合等等。其目的都是找到一条最接近理想的直线来代替实测曲线。但这样找到的直线误差较小而不是最小，即精度不足。
因此，有必要设计一种可以补偿压力传感器非线性输出的线性化系统，以提高呈现弓形非理想特性的传感器影响。本发明所提出的线性化模型，通过负反馈电路改变传感器的激励电压，同时相应地改变输出放大器的增益倍数实现了良好的线性化，解决了现有技术面积开销大、易受温度梯度影响，高成本、低精度等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供用于桥式传感器的非线性矫正系统，解决了现有传感器非线性输出问题。
本发明所采用的技术方案是：包括压阻桥式传感器、负反馈电路以及输出增益放大器；通过引入负反馈电路以改变压阻桥式传感器的激励电压，同时改变输出增益放大器的放大倍数，从而对原桥式非线性系统进行补偿；
压阻桥式传感器与输出增益放大器连接；输出增益放大器与输出缓冲器相连接；输出缓冲器的输出分一部分作为输出电压、另一部分作为反馈电压；反馈电压施加在负反馈电路上；
负反馈电路包括依次连接的求和模块、线性化数模转换器和反馈放大器，反馈电压施加在反馈放大器上；求和模块的输入端分别接受经反馈放大器和线性化数模转换器放大转换后的反馈电压、以及经激励系数衰减作用后的参考电压；求和模块输出的激励电压施加在压阻桥式传感器上。
本发明的特点还在于，
增益放大器的增益设置端口连接有精度补偿DAC，增益放大器的增益效果受精度补偿DAC的调节，精度补偿DAC用于补偿增益放大器本身及压阻桥式传感器的误差。
输出增益放大器的输入端与压阻桥式传感器的输出端相连接，输出增益放大器的输出端与输出缓冲器相连接。
输出增益放大器为可变增益放大器。
线性化数模转换器利用线性化系数进行转换，线性化系数的值为：
Figure BDA0003391482330000031
其中，KLIN为线性化系数，BV为压阻桥式传感器未被校准前的非线性度；VREF为参考电压；KEXC为激励系数；VOUT_MAX为输出电压最大值；VOUT_MIN为输出电压最小值；线性化系数为数字信号，线性化系数通过线性化数模转换器完成与反馈信号的高精度模拟域乘法运算。
激励系数是根据参考电压而设定的衰减因子，参考电压与激励系数之积确定了求和模块输出的激励电压的静态工作点；可根据需要调整衰减因子以增加或减小激励电压。
本发明的有益效果是：本发明的用于桥式传感器的非线性矫正系统，通过引入负反馈电路并改变输出增益放大器的增益以对输出结果校准，最终使结果达到良好的线性化的效果。对于桥式传感器，其输出由所施加在压阻桥式传感器上的压力值及传感器所外加的激励电压共同决定。对于线性压力输入，固定激励电压时，压阻桥式传感器会产生非线性输出，即测量失真。通过引入负反馈电路，利用非线性输出而实时的改变压阻桥式传感器的激励电压以对原非线性输出进行补偿，进而达到非线性矫正的效果。
改变输出增益放大器的目的在于，适应压阻桥式传感器不同的灵敏度和在不同静态工作点时输出的小信号范围不同的问题，根据压力传感器输出的小信号的情况而实时地改变放大器的增益可以使电路的输出电压范围可控。
采用负反馈的方式解决了桥式传感器的非线性输出的问题，避免了现有技术采用的复杂电路而引起的面积开销大的问题，或利用外部模块进行补偿而造成的高成本问题。同时，本发明所提供技术利用的是其非线性输出而控制传感器的激励电压，因此不易受温度梯度的影响。
本发明的非线性矫正系统可以将非线性误差降低50倍，最终使结果达到良好的线性化的效果。满足了对压力测量具有高精度要求的场景需求，解决了现有技术面积开销大，易受温度梯度影响，高成本，低精度等问题。
附图说明
图1是本发明用于桥式传感器的非线性矫正系统的结构示意图。
图2是本发明用于桥式传感器的非线性矫正系统的线性化矫正示例图。
图3是本发明用于桥式传感器的非线性矫正系统的输出误差分析图。
具体实施方式
下面说明本发明提供的区块链技术的示例性应用，图1是本发明提供的用于桥式传感器的非线性矫正系统的结构示意图。
包括压阻桥式传感器、负反馈电路以及输出增益放大器；通过引入负反馈电路以改变压阻桥式传感器的激励电压，同时改变输出增益放大器的放大倍数，从而对原桥式非线性系统进行补偿；
压阻桥式传感器与输出增益放大器连接；输出增益放大器与输出缓冲器相连接；输出缓冲器的输出分一部分作为输出电压、另一部分作为反馈电压；反馈电压施加在负反馈电路上；
负反馈电路包括依次连接的求和模块、线性化数模转换器和反馈放大器，反馈电压施加在反馈放大器上；求和模块的输入端分别接受经反馈放大器和线性化数模转换器放大转换后的反馈电压、以及经激励系数衰减作用后的参考电压；求和模块输出的激励电压施加在压阻桥式传感器上。
增益放大器的增益设置端口连接有精度补偿DAC，增益放大器的增益效果受精度补偿DAC的调节，精度补偿DAC用于补偿增益放大器本身及压阻桥式传感器的误差。
输出增益放大器的输入端与压阻桥式传感器的输出端相连接，输出增益放大器的输出端与输出缓冲器相连接。
输出增益放大器为可变增益放大器。
激励系数是根据参考电压而设定的衰减因子，参考电压与激励系数之积确定了求和模块输出的激励电压的静态工作点；可根据需要调整衰减因子以增加或减小激励电压。
输出增益放大器的输入端分别与压阻桥式传感器以及精度补偿DAC(精度补偿数模转换器)的输出端相连接，输出端与输出缓冲器相连接。输出缓冲器的输出作为输出电压与反馈电压。输出增益放大器为可变增益放大器，其增益放大倍数为：
Figure BDA0003391482330000051
其中，GL为输出放大器的增益倍数；VOUT_MAX为输出电压最大值；VOUT_MIN为输出电压最小值；VREF为参考电压；KEXC为激励系数；FSS为压阻桥式传感器灵敏度；KLIN为线性化系数；
该输出增益放大器的增益效果受精度补偿DAC的调节，所述精度补偿DAC用于补偿输出增益放大器本身及压阻桥式传感器的误差。
所述线性化数模转换器通过高精度的乘法运算获得线性化系数；所述线性化系数的值为：
Figure BDA0003391482330000052
其中，KLIN为线性化系数，BV为压阻桥式传感器未被校准前的非线性度；VREF为参考电压；KEXC为激励系数；VOUT_MAX为输出电压最大值；VOUT_MIN为输出电压最小值。所述线性化系数为数字信号，所述线性化系数通过所述线性化数模转换器完成与反馈信号的高精度模拟域乘法运算。
所述激励系数是根据参考电压而设定的衰减因子，所述参考电压与所述激励系数之积确定了所述求和模块输出的激励电压的静态工作点。可根据需要调整衰减因子以增加或减小激励电压，典型值：0.83。所述线性化电路所能补偿的最大非线性度与激励系数也有关：
Figure BDA0003391482330000061
其中，BVMAX为可补偿的最大非线性度；VOUT_MAX为输出电压最大值；VOUT_MIN为输出电压最小值；VREF为参考电压；KEXC为激励系数；KLIN为线性化系数。当KLIN取负的最大值时，BVMAX为负的最大可补偿非线性度。
压阻桥式传感器输出信号通过输出增益放大器后，进行一次信号的放大，再通过输出缓冲器以提高该电路的带载能力，此时输出缓冲器的输出分别作为负反馈电路的输出电压与反馈电压；反馈电压经过反馈放大后，与线性化系数通过线性化DAC完成高精度的乘法运算。线性化DAC(线性化数模转换器)的输出作为求和模块的一个输入。参考电压经过激励系数衰减作用后作为求和模块的另一个输入，求和模块的输出作为压阻桥式传感器的激励电压，该矫正系统通过改变激励电压以及输出放大器的增益倍数以达到线性化的目的。
所述参考电压包括多种可选电压值。
如图2所示，为所述桥式非线性矫正电路模型的效果示例，其中，横轴代表归一化的压力输入情况，其值等于输入压力与最大可输入压力之比，纵轴则代表对应传感器的电压输出，其输出电压最小值为0.5V，其输出电压最大值为4.5V，图中打点虚线代表正的非线性度的压力传感器未经矫正时电压输出情况，实线代表经所述非线性矫正电路矫正后的电压输出情况，短横虚线代表负的非线性度的压力传感器未经矫正时电压输出情况。
如图3所示，为所述桥式非线性矫正电路模型的误差分析曲线，其中，横轴代表归一化的压力输入情况，纵轴代表相应输出与理想输出的误差情况，其值等于实际输出与理想输出之差与电压输出范围之比再乘以100。图中短横虚线代表未经矫正时所述桥式传感器的输出误差情况，实线代表理想输出的零误差曲线，图中打点虚线代表经所述非线性矫正电路矫正后的输出误差情况。可以将非线性误差降低50倍。

Claims (6)

1.用于桥式传感器的非线性矫正系统，其特征在于，包括压阻桥式传感器、负反馈电路以及输出增益放大器；通过引入负反馈电路以改变压阻桥式传感器的激励电压，同时改变输出增益放大器的放大倍数，从而对原桥式非线性系统进行补偿；
所述压阻桥式传感器与输出增益放大器连接；所述输出增益放大器与输出缓冲器相连接；所述输出缓冲器的输出一部分作为输出电压、另一部分作为反馈电压；所述反馈电压施加在负反馈电路上；
所述负反馈电路包括依次连接的求和模块、线性化数模转换器和反馈放大器，所述反馈电压施加在反馈放大器上；所述求和模块的输入端分别接受经反馈放大器和线性化数模转换器放大转换后的反馈电压、以及经激励系数衰减作用后的参考电压；所述求和模块输出的激励电压施加在所述压阻桥式传感器上。
2.根据权利要求1所述的用于桥式传感器的非线性矫正系统，其特征在于，所述输出增益放大器的增益设置端口连接有精度补偿DAC，所述输出增益放大器的增益效果受精度补偿DAC的调节，所述精度补偿DAC用于补偿增益放大器本身及压阻桥式传感器的误差。
3.根据权利要求1所述的用于桥式传感器的非线性矫正系统，其特征在于，所述输出增益放大器的输入端与压阻桥式传感器的输出端相连；所述输出增益放大器的输出端与输出缓冲器相连接。
4.根据权利要求1所述的用于桥式传感器的非线性矫正系统，其特征在于，所述输出增益放大器为可变增益放大器。
5.根据权利要求1所述的用于桥式传感器的非线性矫正系统，其特征在于，线性化数模转换器利用线性化系数进行转换，所述线性化系数的值为：
Figure FDA0003391482320000011
其中，KLIN为线性化系数，BV为压阻桥式传感器未被校准前的非线性度；VREF为参考电压；KEXC为激励系数；VOUT_MAX为输出电压最大值；VOUT_MIN为输出电压最小值；所述线性化系数为数字信号，所述线性化系数通过所述线性化数模转换器完成与反馈信号的高精度模拟域乘法运算。
6.根据权利要求5所述的用于桥式传感器的非线性矫正系统，其特征在于，所述激励系数是根据参考电压而设定的衰减因子，所述参考电压与所述激励系数之积确定了所述求和模块输出的激励电压的静态工作点；可根据需要调整衰减因子以增加或减小激励电压。
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