淺談模擬傳感器信號(hào)處理（ASSP）和數(shù)字傳感器信號(hào)處理

在數(shù)字傳感器信號(hào)處理（DSSP）領(lǐng)域，傳感器補(bǔ)償已在該技術(shù)頂級(jí)制造商的設(shè)計(jì)人員心中鋪平了道路。高性能計(jì)算引擎的發(fā)明使這成為可能。通過(guò)這種方式，現(xiàn)在以DSSP原理采用集成電路（IC），從而取得了更好的進(jìn)步。本文討論了DSSP架構(gòu)以及如何在MAX1460傳感器信號(hào)調(diào)理器上使用它。

MEMS壓力傳感器的特性

當(dāng)今為汽車市場(chǎng)生產(chǎn)的大多數(shù)MEMS壓力傳感器均包含一個(gè)四電阻惠斯通電橋，該四電阻惠斯通電橋采用批量蝕刻微加工技術(shù)在單個(gè)整體式芯片上制成。集成在傳感器芯片中的壓阻元件沿著壓力傳感膜片的外圍位于適合應(yīng)變測(cè)量的位置（見圖1）。這些傳感器是便宜的，因?yàn)樗鼈儽蛔鳛榧呻娐诽幚碓诳赡馨瑪?shù)百到數(shù)千個(gè)傳感元件的晶片上。

在橋結(jié)構(gòu)中，對(duì)角相對(duì)的支腿的阻力根據(jù)壓力引起的機(jī)械變形而在相同方向上均等地變化。隨著一組在壓力下對(duì)角相對(duì)的支腿的阻力增加，另一組的阻力減小，反之亦然?？邕^(guò)橋的兩個(gè)相對(duì)角施加電壓或電流形式的橋激勵(lì)。這些端子在圖1中顯示為+ Exc和-Exc，通常稱為“勵(lì)磁輸入”或“橋驅(qū)動(dòng)輸入”。

電阻（即壓力）的任何變化都將檢測(cè)為電橋其他兩個(gè)角（圖1中的+ Vout和-Vout）之間的電壓差，這些電壓差通常稱為“電橋輸出”或“信號(hào)輸出”。 ”不幸的是，對(duì)于硅壓阻傳感器，該電壓差很小（幾十毫伏）。此外，未補(bǔ)償傳感器的全跨度輸出（FSO）可能表現(xiàn)出對(duì)溫度的強(qiáng)烈非線性依賴性，較大的初始偏移量（高達(dá)FSO的100％或更高）以及偏移量隨溫度的強(qiáng)烈漂移。FSO定義為對(duì)應(yīng)于最大和最小施加壓力的傳感器輸出之差。因此，必須在使用傳感器之前對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

模擬傳感器信號(hào)處理（ASSP）

集成ASSP的第一代IC通常只包含差分至單端放大器。傳感器的所有性能特性都得到了放大和傳遞，使傳感器制造商承擔(dān)起建立傳感器性能的重任。通常，將壓力傳感器信號(hào)和溫度信號(hào)提供給電子控制單元（ECU），該電子控制單元使用查找表來(lái)獲得合理的壓力估計(jì)值。

這些架構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊中用于處理代表大氣氣壓（BAP）和歧管氣壓（MAP）的數(shù)據(jù)。這些設(shè)計(jì)在模擬域中執(zhí)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。為了存儲(chǔ)特定于傳感器的數(shù)據(jù)，使用了模擬“存儲(chǔ)器”組件，例如電位計(jì)，分立電阻器或電容器（其中一些取決于溫度）以及激光微調(diào)電阻器。這種方法的主要問(wèn)題如下：

• 由于傳感器的非線性而導(dǎo)致的補(bǔ)償精度受到限制
• 激光微調(diào)機(jī)和其他自動(dòng)化設(shè)備的高成本
• 測(cè)試和修整通常需要多種設(shè)置
• 高組件數(shù)量，防止小型化

數(shù)字傳感器信號(hào)處理（DSSP）

第三代DSSP架構(gòu)風(fēng)格的特征在于全數(shù)字補(bǔ)償和糾錯(cuò)方案。幾何形狀極細(xì)的混合信號(hào)CMOS IC技術(shù)已將復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）集成到傳感器補(bǔ)償器IC中。DSP專為執(zhí)行傳感器補(bǔ)償計(jì)算而設(shè)計(jì)，使傳感器輸出能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器固有的所有精度。從理論上講，將一階和二階溫度效應(yīng)對(duì)全跨度輸出（FSO）和失調(diào)進(jìn)行線性化處理可使整體線性度相對(duì)于溫度的變化優(yōu)于傳感器本身的線性度。

作為背景，請(qǐng)考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)于成功使第三波架構(gòu)成功至關(guān)重要：

• 傳感器在溫度和壓力下的可重復(fù)性
• 高分辨率A / D轉(zhuǎn)換（最少16位）
• 具有16位乘法和加法的計(jì)算引擎
• 數(shù)字邏輯與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路之間的同步操作
• 所有模擬信號(hào)處理子系統(tǒng)的比例操作
• 高分辨率（最小12位）D / A轉(zhuǎn)換器
• 低功耗

另外，請(qǐng)考慮以下有關(guān)數(shù)字信號(hào)處理的一般規(guī)則：

• 換能器的穩(wěn)定性，可重復(fù)性和滯后性無(wú)法通過(guò)計(jì)算得到改善。
• 計(jì)算可能會(huì)降低，但絕不會(huì)增加信號(hào)分辨率。
• 輸出信號(hào)精度將小于輸入信號(hào)分辨率。

現(xiàn)在，一種新型器件MAX1460可通過(guò)使用公式1來(lái)執(zhí)行補(bǔ)償壓力傳感器所需的算術(shù)運(yùn)算。因?yàn)樵撈骷梢詫?duì)數(shù)字化的壓力傳感器信號(hào)執(zhí)行這些算術(shù)運(yùn)算（使用其板載處理器）借助其板載ADC，它被稱為智能ADC。參見上面的圖2。

結(jié)論

本文介紹了傳感器壓力的一些原理，它的歷史和在行業(yè)中的使用。還討論了模擬傳感器信號(hào)處理（ASSP）和數(shù)字傳感器信號(hào)處理（DSSP），但由于它是涉及傳感器跨度和偏移補(bǔ)償?shù)捏w系結(jié)構(gòu)，因此更加關(guān)注DSSP。

編輯：hfy