CN114577378B - 一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统,包括输出缓冲器、线性化电路和温度矫正电路，温度矫正电路的输入端与压力传感器的输出及外界温度信号相连接，且温度矫正电路包括输出增益放大器、温度ADC、温度查找表及控制逻辑模块、增益DAC、零位DAC以及第一求和模块，温度矫正电路的输出端与输出缓冲器的输入端连接，且输出缓冲器的输出端与线性化电路的输入端连接，本发明通过线性化电路改变传感器的激励电压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，并通过温度矫正电路进行对输出的零位补偿与量程矫正实现了良好的温度漂移矫正效果。
Description
技术领域
本发明涉及应用于压阻式压力传感器的信号调理的集成电路设计技术领域，尤其涉及一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统。
背景技术
广泛应用于压力测量领域的硅压阻式传感器，由于所用的半导体材料的固有特性，普遍存在着一致性、温度漂移和非线性等问题。在使用时都要经过输出信号的补偿与矫正过程，补偿与矫正技术直接决定着它的使用价值。
现有的对温度非理想特性矫正技术有：
硬件补偿技术，主要为串并联电阻、热敏电阻网络、二极管补偿以及利用电路进行温度补偿。但使用此方法主要存在电路复杂、调试困难、准确度低、成本高昂等不足，而且不利于工程应用。
软件补偿技术，就是将传感器的输出信号经过单片机或其他系统用某种算法进行实时修正。单片机通过A/D转换获取经过放大的温度信号，等信号采样结束后，单片机运行温度误差补偿程序，从而补偿传感器信号的温度误差。使用单片机进行补偿虽然具有精度高，性能稳定等优点，但为了提高矫正精度，通常内部需要进行高次运算，进行高次运算需要靠牺牲时间来换取，同时在程序算法编制上复杂程度也较高，从而也带来了可靠性的风险。
现有的对压力非线性矫正的技术有：
串、并联电阻网络补偿技术，在被测量参数变化范围不大的情况下，对有些非线性传感器，可以简单地用固定电阻器与传感器元件串并联方式进行补偿。这种校正方法的优点是元件少、成本低、十分简便，但校正范围一般较窄。
改变被测量零点输出补偿方法，有些传感器的特性在某一段呈较好的线性，实践中可以设法避开非线性段，而直接利用线性段，改变被测量的零值输出就是一种简便、有效的方法。这种校正方法极其简单，在被测量变化范围不大时可获得较好的校正效果。
反馈补偿方法，对有些非线性传感器，如铂电阻和铜电阻，当温度变化范围较宽时，非线性十分明显，其电阻值的变化率随温度升高而逐渐减少，因此将信号调理电路的输出信号反馈到相关放大器的输入端，使放大器的输入信号同时受输出信号的影响，便可以实现较理想的非线性校正。这种校正方法具有范围宽、校正准确度高的优点，可将非线性误差由最大2％(0℃～500℃)降至0.1％左右，但电路复杂、调试较麻烦。
因此本发明提出一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，该种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统具有良好的线性化的优点，有效解决现有技术中面积开销大、易受温度梯度影响，高成本、低精度等问题。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，包括用于增强带载能力的输出缓冲器、用于通过负反馈形式对非线性进行矫正的线性化电路和用于对温度漂移进行补偿的温度矫正电路，所述温度矫正电路的输入端与压力传感器的输出及外界温度信号相连接，且温度矫正电路包括输出增益放大器、温度ADC、温度查找表及控制逻辑模块、增益DAC、零位DAC以及第一求和模块，所述温度矫正电路的输出端与输出缓冲器的输入端连接，且输出缓冲器的输出端与线性化电路的输入端连接，所述线性化电路包括第二求和模块、参考电压源、线性化系数DAC以及激励系数DAC。
进一步改进在于：所述温度ADC的输出端与温度查找表及控制逻辑模块的输入端连接，所述温度查找表及控制逻辑模块的输出端与增益DAC和零位DAC的输入端连接，所述增益DAC的输出端与输出增益放大器的输入端连接，所述输出增益放大器的输出端与零位DAC的输出端均与第二求和模块的输入端连接。
进一步改进在于：所述第二求和模块的输入端分别与线性化系数DAC和激励系数DAC的输出端连接，所述激励系数DAC的输入端与参考电压源的输出端连接，所述第二求和模块的输出作为激励电压，并与压力传感器的输入及外界温度信号相连接。
进一步改进在于：所述温度查找表及控制逻辑模块内存储了标定的参考温度下零位DAC及增益DAC所应该补偿的值。
进一步改进在于：所述输出缓冲器输出的一部分作为输出电压，另一部分作为反馈电压，并与所述线性化系数DAC的输入端连接连接。
进一步改进在于：所述线性化系数DAC用于存储线性化系数并完成模拟域乘法运算，所述激励系数DAC用于储存激励系数并完成模拟域乘法运算。
进一步改进在于：所述输出增益放大器为可变增益放大器，且受增益DAC的调制。
进一步改进在于：所述激励系数是根据参考电压源的参考电压设定的衰减因子，根据实际需要调整衰减因子，控制激励电压的增加或减小。
本发明的有益效果为：该种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统通过引入线性化电路以改变传感器的工作电压，最终使结果达到良好的线性化的效果，通过引入温度矫正电路以根据当前温度通过查询温度查找表来改变增益放大器的增益以及零位DAC的值，从而达到了良好的温度漂移矫正效果，并用负反馈的方式接入线性化电路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。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的整体原理示意图。
图3是本发明的温度矫正电路模型结构示意图。
图4是本发明的线性化电路模型结构示意图。
图5是本发明在25℃下的输出特性示意图。
图6是本发明的线性化误差分析曲线示意图。
图7是本发明的温度特性示意图。
图8是本发明的零位矫正误差曲线示意图。
图9是本发明的量程矫正误差曲线示意图。
图10是本发明的流程示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1-图10所示，本实施例提出了一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，包括用于增强带载能力的输出缓冲器、用于通过负反馈形式对非线性进行矫正的线性化电路和用于对温度漂移进行补偿的温度矫正电路，温度矫正电路的输入端与压力传感器的输出及外界温度信号相连接，且温度矫正电路包括输出增益放大器、温度ADC、温度查找表及控制逻辑模块、增益DAC、零位DAC以及第一求和模块，温度矫正电路的输出端与输出缓冲器的输入端连接，且输出缓冲器的输出端与线性化电路的输入端连接，线性化电路包括第二求和模块、参考电压源、线性化系数DAC以及激励系数DAC。
如图3所示，温度ADC的输出端与温度查找表及控制逻辑模块的输入端连接，温度查找表及控制逻辑模块的输出端与增益DAC和零位DAC的输入端连接，增益DAC的输出端与输出增益放大器的输入端连接，输出增益放大器的输出端与零位DAC的输出端均与第二求和模块的输入端连接，其中，增益DAC用于调制输出增益放大器的放大倍数，温度查找表的输入端接受经温度ADC转化后的数字信号，输出分别作为增益DAC及零位DAC的输入，输出增益放大器受增益DAC调制，其输入端接受传感器的输出信号。
其中，引入温度查找表的目的在于，对于传感器的温度漂移现象，其主要可以分零位误差和灵敏度误差两种非理想特性，在标定的温度参考点下测量传感器的输出特性，设传感器的输出符合以下数学模型：
Vout＝Vin·k(T)+b(T)
其中，Vout为受温度影响后输出的输出电压；Vin为输出电压；k(T)表征了温度对传感器灵敏度的影响；b(T)表征了温度对传感器零位电压的影响，则必然可以找到一个电压值对零位误差进行精确补偿，一个增益因子对灵敏度误差进行精确矫正，并由于温度对传感器的影响并不会突变，所以对于任意温度，可以采用线性插值法找到对应的补偿电压和增益因子从而达到良好的补偿效果，即通过增益DAC调节增益放大器增益以对温度引起的量程漂移进行矫正，并通过改变零位DAC的值生成当前温度下的补偿电压以对零位漂移进行校准；
在传感器的工作温区中标通过定若干个参考点T0～Tn，并通过测试记录下传感器在标定温区中的输出特性，然后计算对应参考点(T0～Tn)下增益DAC及零位DAC所要补偿的值，最后存储在温度查找表模块中，在实际工作时，利用线性插值法计算出实际温度下所对应的值：
式中，Gx、Zx分别表示Tx温度下增益DAC及零位DAC所对应的值；Gn和Gn-1、Zn和Zn-1分别表示参考点Tn和Tn-1温度下所对应的增益DAC及零位DAC所对应的值；Tx处于参考点Tn与Tn-1之间；
输出增益放大器为可变增益放大器，且受增益DAC的调制，表示为：
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；Gx表示Tx温度下增益DAC所对应的值。
如图4所示，第二求和模块的输入端分别与线性化系数DAC和激励系数DAC的输出端连接，激励系数DAC的输入端与参考电压源的输出端连接，第二求和模块的输出作为激励电压，并与压力传感器的输入及外界温度信号相连接，其中，线性化系数的值为：
式中，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，而激励系数是根据参考电压源的参考电压设定的衰减因子，根据实际需要调整衰减因子，控制激励电压的增加或减小。
温度查找表及控制逻辑模块内存储了标定的参考温度下零位DAC及增益DAC所应该补偿的值。
输出缓冲器输出的一部分作为输出电压，另一部分作为反馈电压，并与线性化系数DAC的输入端连接连接。
线性化系数DAC用于存储线性化系数并完成模拟域乘法运算，激励系数DAC用于储存激励系数并完成模拟域乘法运算。
本实施例中，压力传感器的非理想输出首先经过受增益DAC调节的输出增益放大器来矫正量程误差，然后再利用零位DAC对零位温漂进行补偿，其中，增益DAC与零位DAC的值通过温度查找表获得，最后经过输出缓冲器提高电路的带载能力，输出缓冲器的一部分输出作为反馈电压，反馈电压经线性化电路作用后生成激励电压作为压力传感器的工作电压，达到线性化的效果。
在本实施例中，如图2-图4所示，附图中，第一求和模块和第二求和模块均采用字母E表示。
如图5所示，为本发明提供的用于桥式传感器的非理想特性矫正系统在25℃下的输出特性图，其中，横轴表示压力输入值，纵轴则代表系统的输出电压，其理想输出电压最小值为0V，最大值为5V，图中点化线代表未经系统矫正时原始电压输出情况，虚线代表只经过温度矫正后的电压输出情况；实线代表完全经过所述系统矫正后的电压输出情况。
如图6所示，为本发明提供的用于桥式传感器非理想特性矫正系统的线性化误差分析曲线，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系统时输出的误差情况；实线代表理想输出的误差曲线；打点虚线代表经所述系统矫正后输出的误差情况。经过本发明所提供模型的矫正，可以将非线性误差降低至原误差的2％。
如图7所示，为本发明提供的用于桥式传感器非理想特性矫正系统的温度特性示意图，其中，横轴表示传感器所处工作环境的温度值，其范围为-32℃～83℃，纵轴则代表系统的输出电压，其理想输出电压最小值为0V，最大值为5V，图中三角标记的虚线代表未经系统矫正时零位电压输出情况；三角标记的实线代表经过所述系统矫正后零位电压输出情况；图中圆点标记的虚线代表未经系统矫正时最大量程电压输出情况；圆点标记的实线代表经过所述系统矫正后最大量程电压输出情况。
如图8所示为本发明提供的用于桥式传感器非理想特性矫正系统的零位矫正误差曲线，其中，其中，横轴表示传感器所处工作环境的温度值，其范围为-32℃～83℃，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。图中虚线代表未经矫正系统时输出的误差情况；实线代表经过所述系统矫正后输出的误差曲线。经过本发明所提供模型的矫正，可以将温度漂移引起的零位误差降低至原误差的6‰。
如图9所示，为本发明提供的用于桥式传感器非理想特性矫正系统的量程矫正误差曲线，其中，横轴表示传感器所处工作环境的温度值，其范围为-32℃～83℃，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。图中虚线代表未经矫正系统时输出的误差情况；实线代表经过所述系统矫正后输出的误差曲线。经过本发明所提供模型的矫正，可以将温度漂移引起的量程误差降低至原误差的8.6％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，其特征在于：包括用于增强带载能力的输出缓冲器、用于通过负反馈形式对非线性进行矫正的线性化电路和用于对温度漂移进行补偿的温度矫正电路，所述温度矫正电路的输入端与压力传感器的输出及外界温度信号相连接，且温度矫正电路包括输出增益放大器、温度ADC、温度查找表及控制逻辑模块、增益DAC、零位DAC以及第一求和模块，所述温度矫正电路的输出端与输出缓冲器的输入端连接，且输出缓冲器的输出端与线性化电路的输入端连接，所述线性化电路包括第二求和模块、参考电压源、线性化系数DAC以及激励系数DAC；
对于任意温度，采用线性插值法找到对应的补偿电压和增益因子达到良好的补偿效果，通过增益DAC调节增益放大器增益以及温度引起的量程漂移进行矫正，并通过改变零位DAC的值生成当前温度下的补偿电压以对零位漂移进行校准；
压力传感器的非理想输出首先经过受增益DAC调节的输出增益放大器来矫正量程误差，然后利用零位DAC对零位温漂进行补偿，其中，增益DAC与零位DAC的值通过温度查找表获得，最后经过输出缓冲器提高电路的带载能力，输出缓冲器的一部分输出作为反馈电压，反馈电压经线性化电路作用后生成激励电压作为压力传感器的工作电压，达到线性化的效果；输出增益放大器为可变增益放大器，且受增益DAC的调制，表示为：
2.根据权利要求1所述的一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，其特征在于：所述温度ADC的输出端与温度查找表及控制逻辑模块的输入端连接，所述温度查找表及控制逻辑模块的输出端与增益DAC和零位DAC的输入端连接，所述增益DAC的输出端与输出增益放大器的输入端连接，所述输出增益放大器的输出端与零位DAC的输出端均与第一求和模块的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，其特征在于：所述第二求和模块的输入端分别与线性化系数DAC和激励系数DAC的输出端连接，所述激励系数DAC的输入端与参考电压源的输出端连接，所述第二求和模块的输出作为激励电压，并与压力传感器的输入及外界温度信号相连接。
4.根据权利要求2所述的一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，其特征在于：所述温度查找表及控制逻辑模块内存储了标定的参考温度下零位DAC及增益DAC所应该补偿的值。
5.根据权利要求1所述的一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，其特征在于：所述输出缓冲器输出的一部分作为输出电压，另一部分作为反馈电压，并与所述线性化系数DAC的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，其特征在于：所述线性化系数DAC用于存储线性化系数并完成模拟域乘法运算，所述激励系数DAC用于储存激励系数并完成模拟域乘法运算。
7.根据权利要求1所述的一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，其特征在于：所述输出增益放大器为可变增益放大器，且受增益DAC的调制。
8.根据权利要求6所述的一种用于桥式传感器的非理想因素矫正系统，其特征在于：所述激励系数是根据参考电压源的参考电压设定的衰减因子，根据实际需要调整衰减因子，控制激励电压的增加或减小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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