（测试计量技术及仪器专业论文）mca7707研究及开发装置设计.pdf

摘要 本文系统地阐述了采用m c a 7 7 0 7 进行硅压阻传感器实时自补偿的原理和其 软件开发装置的设计。首先介绍了m c a 7 7 0 7 的结构和性能；然后详细讨论了 其补偿的原理，并通过数学公式逐步描述了其补偿的步骤和作用；最后给出了 开发装置软件设计的原理及软件补偿的详细过程。在附录中还给出了补偿前后 的传感器误差的对比。实验证明，采用本开发装置与m c a 7 7 0 7 相结合进行硅 压阻传感器自补偿，提高了其测量精度和稳定性。 关键词：m c a 7 7 0 7硅压阻传感器补偿开发装置温度系数 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e o f p i e z o r e s i s t i v e s e n s o r c o m p e n s a t i o n u s i n g m c a 7 7 0 7a n dt h ed e s i g no fi t sd e v e l o p m e n ts o f t w a r e a tf i r s tt 1 1 e c o n f i g u r a t i o no fm c a 7 7 0 7i s d i s c u s s e d t h e nt h ep r i n c i p l eo fm c a 7 7 0 7 c o m p e n s a t i o np r o c e d u r ei si n t r o d u c e d ，t o g e t h e rw i t h s o m ee q u a t i o n st oi l l u s t r a t ei t sf u n c t i o nt h o u g h t f u l l y f i n a l l yt h ep r o c e d u r eo f c o m p e n s a t i o nu s i n g d e v e l o p m e n t s o f t w a r ei sp r e s e n t i nt h ea p p e n d i xw ea l s og i v et h e e x p e r i m e n t a ld a t at os h o wt h e e f f e c to f m c a 7 7 0 7 c o m p e n s a t i o n k e y w o r d s ：m c a 7 7 0 7p i e z o r e s i s t i v es e n s o r c o m p e n s a t i o n d e v e l o p m e n t s o f t w a r e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t 南京航空航天大学硕士论文 第一章绪论 ll 传感器的作用 传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精 确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制， 都将成为一句空话。可以说，没有精确的传感器，就没有精确可靠的自动检测和控 制系统。现代电子技术和电子计算机为信息转换与处理提供了极其完善的手段，使 检测与控制技术发展到崭新的阶段。但是如果没有各种精确可靠的传感器去检测各 种原始数据并提供真实的信息，那么电子计算机也无法发挥其应有的作用。如果把 计算机比喻为人的大脑则传感器为人的五官。 在各种检测与控制系统上，装备着多神传感器，传感器测量出航天器的飞行参 数、姿态和发动机工作状态的各个物理量，输送给各种自动控制系统。并进行自动 调节，使航天器按人们预先设计的轨道正常运行。 生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来监视和控制生产过程中的 各个参数，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。 1 2 传感器的一般特性 传感器的输入一输出关系特性是传感器的基本特性。从误差角度去分析输入一 输出特性是测量技术所要研究的主要内容之一。输入一输出特性是传感器的外部特 性，但与其内部参数有密切的关系，而且测量误差也是与其内部结构参数密切相关 的。 传感器所测的物理量有两种形式，一种是稳态( 静态或准静态) 的形式，这神 信号随时间变化很缓慢。另一种是动态( 周期变化或瞬态) 的形式，这种信号是随 时间变化而变化的。由于输入物理量的不同，传感器所表现出来的输入一输出特性 也不同，因此也存在所谓静态特性和动态特性。 1 2 1静态特性 理想传感器的输入一输出特性是线性的，它有以下优点： ( 1 ) 可大大简化传感器的理论分析和设计计算； ( 2 ) 为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出一输入特性上的两 点( 般为零点和满度值) 就可以确定其余各点； ( 3 ) 可使仪表盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测试精度； ( 4 ) 避免了非线性补偿环节。 实际上许多传感器的输入一输出特性是非线性的，般可用下列多项式表示输 入一输出特性。 m c a 7 7 0 7 研究及开发装置设计 y = d o + 口l z + 口z x2 + - - + 日n x ” 式中y 一输出量；x 一输入物理量； 吼一零位输出；口。一传感器线性灵敏度； d ：、q 、，口。一决定特性曲线的待定常数，一般通过传感器的校准试验 据典线拟合求出，它们可正可负。 传感器的主要静态性能指标 量程：传感器所能测量的最大被测量( 即输入量) 的数值称为测量上限，最小 的被测量则称为测量下限，而测量上限和测量下限的差值则程为量程。 分辨率：从微观来看，传感器的特性曲线不连续，有许多微小的阶越起伏。分 辨率即传感器可测量的最小值( 输入值或输出值) 与最大输入量或输出量的百分比 值。 灵敏度：传感器在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出，称为灵敏度或 静态灵敏度。 迟滞：对于某一输入量，传感器在正行程时的输出量明显地有规律的不同与其 在反行程时在同一输入量下的输出量，这一现象称为迟滞。迟滞可用传感器的正行 程和反行程平均校准特性之间的最大差值，以满量程输出的百分比来表示。 重复性：在相同的工作条件下，在一段短的时间间隔内，输入量从同一方向作满量 程变化时，同一输入量所对应的连续先后多次测量所得的一组输出量值，它们之间相互 偏离的程度便称为传感器的重复性。重复性可由一组校准曲线的相互偏离值直接求 得。 零点时间漂移：传感器在恒定的温度环境中，零点输出信号与时间的变化特性， 称为传感器零点时间漂移，简称零漂。传感器的零漂一般按8 小时内输出信号的变 化来度量。 零点温度漂移：传感器的零点输出随温度而变化的特性，称为传感器的零点温 度漂移。一般常用环境温度变化1 0 度所引起的输出变化相对子最大输出的百分比表 示。在实际使用中，时间漂移与温度漂移是同时存在的。 灵敏度温度漂移：传感器的灵敏度随温度变化而变化，它反映温度变化对传感 器输出信号影响的大小。一般用温度每变化1 0 度而引起传感器的相对变化来表示。 1 2 2 动态特性 动态特性是反映传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感 器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近。 下面给出传感器数学模型一高阶常系数线性微分方程。 - 2 南京航空航天大学硕士论文 d ”yd ”一1 y 。一万“面丁 “ 式中：y 一输出量 蝎老坞y _ 6 ma 出 _ z 。x 等+ x 一输入量；t 一时间 时域性能指标：在阶越输入下可测定传感器的时域动态性能指标。 时间常数t ：输出值上升到稳态值的6 3 所需的时间。 上升时间f ：输出值从稳态的1 0 上升到9 0 所需的时间。 响应时间t s ：输出值进入稳态的5 或2 的允许误差带内所需的时间。 频域性能指标：如果按频域性能指标来考核压力传感器，可采用正弦波发生器 来产生被校传感器的输入信号。 通频带。：这是在对数幅频特性曲线上幅值衰减3 d b 时所对应的频率范围。 工作频带。或n ：这是幅度误差为5 或1 0 时所对应的频率范围。 相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的 相位差值，即为相位误差。 传感器在使用由于科学技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，应此对 测控系统的精度提更高的要求。微型计算机组成的测控系统在许多领域得到了广泛 的应用，而传感器作为微型机系统的一部分，将向高精度、小型化、集成化、数字 化、智能化等几个方面发展。它们是传感器发展的大趋势。 m c a 7 7 0 7 研究及开发装置设计 第二章压阻式传感器 2 1 燃 随着半导体技术的发展，压力传感器已向半导体化和集成化方向发展。人们发 现圆体受到作用力后电阻率( 或电阻) 就要发生变化，所有的固体材料都有这个特 点，其中以半导体最为显著。当半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻率 发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。压阻式传感器就是利用固体的压阻 效应制成的，压阻式传感器主要用于测量压力、加速度、载荷等参数。压阻式传感 器有两种类型，一种是利用半导体的体电阻作成粘贴式的应变片。另种是在半导 体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻，称为扩散型压阻传感器。 任何材料电阻的变化率由下式决定： 堡：塑；坐一堕 rols 式中：r 一导体的电阻( q ) ； p 一导体的电阻率( q m m2 m ) ； 因为s = t r y2 ( y 为导体或半导体的半径) d s = 2 a 翌d r 豳西 一2 一 sr 轴向应变 径向应变 ( 2 1 ) ，一导体的长度( m ) ； s 一导体的截面积( m r 2 1 ( 2 2 ) 导体或半导体受拉时，沿轴向伸长而沿径向缩短，两者关系为 占，。一q( 2 - 3 ) 式中：u 一导体或半导体材料的泊松系数。 将( 2 - - 3 ) ! ) 、( 2 - - 4 ) 代人( 2 - - 2 ) ，经整理得 百d r = ( 1 + 2 , u k + 警 协4 ) 如果引用 a p ：砸：x k 6 p 式中”为压阻系数，6 为应力。 则上式可写为 i d r = ( x e + 1 + 2 ) 占，= 也 讲一，毋一， = = q q 令 南京航空航天大学硕士论文 式中：，k = 艇+ l + 2 ，是灵敏系数：b 一导体或半导体材料的弹性模量 对金属来说，e 有时可忽略不计，而泊松系数p = o 2 5 一o 5 ，故近似地有 x ：= 1 + 2 9 = l 2 对半导体来讲，1 + 2u 可忽略不计，而压阻系数= 4 0 x 1 0 “1 - - 8 0 x1 0 。1m2 n ， 弹性模量e = 1 6 7 x i 0 “n m 2 ，故 k s = e = 5 0 1 0 0 可见k s = 5 0 k 。一1 0 0k 。 此式表示，压阻式传感器的灵敏系数要比金属应变片的灵敏系数大5 0 至1 0 0 倍。有 时压阻式传感器的输出不需要放大，就可直接用于测量。这说明了压阻式传感器的 灵敏度是非常高的。 压阻式传感器除了灵敏度高这一优点外，另一优点是分辨率高。压阻式传感器 测量压力时，一二毫米水柱的微压，也能反应。可见其分辨率之高。 由于扩散型压阻式传感器是用集成电路工艺制成的，测量压力时，有效面积可 作得很小，有时可作到有效面积的直径仅有零点几毫米，这种传感器可用来测量几 十千赫的脉动压力，所以频率相虐高，也是它的一个突出特点。 压阻式传感器是用半导体材料制成，半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传 感器的温度误差较大，这是压阻式传感器的最大缺点，所以，压阻式传感器必须要 有温度补偿，或是在温度稳定的条件下使用，否则其用途必须受到限制。 2 2 压阻系数 应力作用在硅单晶上，由于压阻效应，硅晶体的电阻发生变化。电阻的相对变 化等与应力的关系如下。在正交坐标系中，坐标系与晶体一至时，有： 【 丝 百2 “i o t + 8 t 6 t + y c s o s 式中盯，为纵向应力，盯，为横向应力，o s 为与o i 和o t 垂直的方向上的应力，由于它 比q 和q 小得多，一般都略去。研、万。、石。分别为盯。、盯，、q 相对应的压阻系数。 疗，表示应力作用方向与通过压阻元件的电流方向一至，珥表示应力作用的方向与通 过压阻元件的电流方向垂直。 当硅晶体的晶轴与立方体晶体晶轴有偏离时，电阻的变化率表示为： 出 i = 氕i o l 七氕 d | 在此情况下，式中的乃、曩值可用丑。、石：、石。表示为 m c a 7 7 0 7 研究及开发装置设计 g - f = 丑l 一2 ( 7 r l l 一2 一万4 4 ) ( ，? m ? + f ? 胆? + 胛i h ) 码= 石2 2 ( 蜀l 一确2 一石“) ( 矸矸+ 门i 甩+ 优i 删) 式中丌，_ ：，分别为压阻元件的纵向，横向及剪切向压阻系数：，开。分别为压 阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦；1 2 , 肌：，行：分别为应力相对于立方晶体 的方向余弦。 对于p 型硅，厅。远大于 。和蜀2 ，因而在计算时，只取死。；对于n 型硅，z 。 较小，墨，最大，石。2 一一0 5 z ，因而在计算时只取巧。和蜀：。 影响压阻系数大小的因素主要是扩散杂质的表面浓度和晶向。晶向对压阻系数 的影响比较复杂，但用单晶硅在( 1 l1 ) 晶面上制作传感器电阻条时用不着考虑晶向。 扩散杂质浓度增加时，压阻系数就要减小。表面杂质浓度低时，温度增加，压阻系 数下降得快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降得馒。 2 3 硅压阻传感器的测量电路 硅压阻传感器硅芯片上扩散出的四个桥臂电阻，一般是将其连接成惠斯登电桥。 为使电桥的灵敏度最大，将一对增加的电阻对接，将另一对减小的电阻也对接。其 供电常采用两种方式：恒压源供电和恒流源供电。 图2 - - 1 恒压源供电图图2 - - 2 恒流源供电图 上图中， r i = r 2 = r + 艄+ r ，r 3 = r 4 = r a r + r ， r ，是由温度的增加产生的电阻变化，胄是由压力产生的电阻变化 2 3 1 恒压源供电时电桥的输出 如图2 一l 电桥的输出为： u 。；堡坚丝坠竺! !一 堡垡二竺竺! ! ” r 一曲+ 缄r + 震+ 艄+ 出r r + 欲+ 猷r + r 一址+ 幽， 整理得： 一6 - 童塞堕皇垫垂奎堂堡主蔓二生一 ，u 出 一i i 面 上式说明电桥输出一方面与竺成正比，另一方面又与供电压u o 成正比，即电桥的 a 输出除了与被测量成正比外，同时与电桥输入电压u o 的大小和精度有关。当温度改 变时，输出电压u 。还与温度有关，即。与矸成非线性关系，所以用恒压源供电 时，不能消除温度的影响。 2 3 2恒流源供电时电桥的输出 恒流源供电如图2 2 所示。在图中，设电桥两个支路的电阻相等，那么通过每 r 条支路的电流相等，都等于二当。因此电桥的输出为： z 11 u 托= l ( r + a r + 5 r r ) 一 l ( r 一r + r r ) 工二 经整理后得 u 。= i ，龌 电桥输出变化与电阻的变化量震成正比，也与电源电流成正比，即电桥的输出号随 流源供给的电流大小与精度有关。但是电桥的输出与温度无关，不受温度的影响， 这是恒流源的优点，缺点是电路复杂，恒流源供电时，一个传感器最好配备一个恒 流源，这在使用中是不方便的。 在下章我们可以看到m c a 7 7 0 7 正是基于以上原理，采用了恒流源供电再加上一 些外部数字补偿部分才达到了很高的精度。 2 4 压阻传感器的温度漂移与补偿 2 4 1 压阻式传感器的温度漂移 压阻式传感器受到温度影响后，就要产生零位漂移的灵敏度。这是压阻式传感器 最大的弱点。 零位温度漂穆的产生是由于扩散电阻的阻值随温度变化引起的，而扩散电阻的 温度系数随薄层电阻的不同而异，表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数也小； 表面杂质浓度低时，薄层电阻大。温度系数也大。为减小温度系数，可提高表面杂 质浓度，但这样做会使传感器的灵敏度降低。 压阻式传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的，温度升高时压 阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，所以传感器的灵敏度，当温度升高时要 降低，温度降低时要升高，也就是说传感器的灵敏度温度系数是负的。如果扩散电 阻的表面浓度高些，压阻系数随温度的变化要小些，传感器的灵敏度温度系数也要 - 7 m c a 7 7 9 7 研究及开发装置设计 小些。 2 4 2压阻式传感器的温度补偿 压阻式传感器由于有很多优点，因而发展很快，但是温度误差却是这类传感器 发展中的一个需要解决的问题，所以在使用压阻式传感器时须进行温度补偿。温度 补偿有硬件补偿和软件补偿两种方式。硬件补偿就是在传感器桥臂附加串并联电阻 网络达到消除或减小温度影响的目的，而软件补偿就是利用微机或单片机系统对实 时采集的数据进行综合修正达到消除和减小温度的影响。 压阻式传感器采用硬件温度补偿对电阻补偿网络的要求较高，而且还涉及到电 阻条的扩散工艺，其补偿效果是与硬件成本成正比的。随着微型计算机和大规模集 成电路技术的迅速发展及其成本的下降，测量仪器向数字化发展并与软件相结合是 一个主要的发展趋势。而m c a 7 7 0 7 把软件和硬件补偿相结合，采用大规模集成电路 技术把电流源和a d 转换器及其它数字电路集成为个很小的智能芯片。在使用的方 便性和补偿的精确性方面有其独特的优势。 南京航空航天大学硕士论文 第三章m c a 7 7 0 7 组成及原理 m c a 7 7 0 7 是采用c m o s 技术的传感器专用集成电路。它特别适合于压阻式传 感器的补偿和修正，也可以和其它电阻式传感器一起使用，如加速器、应变仪等。 m c a 7 7 0 7 采用e e p r o m 修正下列参数：满量程输出( f s o ) 、满量程输出温度 系数( f s ot c ) 、f s o 温度非线性度、偏置( o f f s e t ) 、偏置温度系数( o f f s e tt c ) 、 偏置温度非线性度、压力非线性度。 m c a 一7 0 7 支持工业和航空应用，可以把传感器固有重复性误差限制在0 1 以内。 3 1 m c a 7 7 0 7 的特征及概述 m c a 7 7 0 7 特性： 在4 0 g u + 1 2 5 范围内可以达到0 1 的精度。 利用存储在e e p r o m 中的修正参数完成传感器误差调整，。 可以修正o f f s e t 、o f f s e tt c 、f s o 、温度非线性度和压力非线性度 产生关于压力的模拟及数字输出( 经校正和温度补偿) 。 含有一个可以在0 1 2 0 m a 范围内进行编程控制的传感器激励电流源。 m c a 7 7 0 7 是一个高性能的单芯片信号处理系统，适于电阻式传感器的电子校 准和补偿。它使得以下三种传统的传感器操作成为一个自动的过程： 测试前操作或在测试计算机控制下获取传感器性能参数( 通过微线路和三 态输出端) ； 校准和补偿操作获得和存储由测试计算机计算并经微线路向传感器加载 的校准和补偿参数： 最终测试操作在不将传感器从原有装置移出的情况下验证校准和补偿后 的传感器性能； m c a 7 7 0 7 为传感器输出提供了模拟信号通道，从而减小了数字噪声。温度补 偿以被用做温度信号的压阻式传感器的桥路电压为基础。 通过经d a 转换器调节偏置和增益，m c a 7 7 0 7 校准和补偿第一阶温度误差。 剩余的高次误差通过查询e e p r o m 的矢量表和对一阶参数进行插值获得补偿。 m c a 7 7 0 7 的集成化功能使得在4 0 一1 2 5 范围内只要对五个温度进行测试就可 以把传感器的固有重复性误差减4 , n o 1 的精度。 参考温度下偏置的校准通过从e e p r o m 中读入一个1 6 位的字并写入o f f s e t d a c 实现，该转换器以o 2 m v ( 0 0 0 5 f s o ) 的高分辨率调节p g a 的输出偏置。 参考温度下f s o 的校准通过两步实现：对固定类型的传感器首先选择近似的p g a 9 m c a 7 7 0 7 研究及开发装置设计 增益，然后对特定的温度，一个1 6 位的字被写入f s od a c 以调节电桥电流，通过 这种方法可以获得校准精度非常高的( o 2 m v ，0 0 0 5 f s o ) f s o 输出。 参考温度下压力线性修正通过模拟形式实现，在缓冲主输出端( r l r n ) 和电流源 ( i s r c 端1 之间有一个电阻反馈通道。反馈系数由写入f s ol i nd a c 的一个1 6 位字 设定。 通过写入16 位字到o f f s e tt cd a c ( 改变p g a 偏置) 和f s ot cd a c ( 通过 f s o t c d a c 端和i s r c 端之间的反馈电阻改变电流源的值) 进行温度误差的补偿。压 阻传感器由电流源供电，而它的电桥电压和温度成比例。o f f s e tt cd a c 和f s ot c d a c 以电桥电压为参考，这使锝除了数字补偿外，还允许它们的输出跟随温度的变 化，因此一阶温度误差的模拟补偿可以实现。 数字补偿主要用于补偿涅度非线性度。在工作温度范围内有1 2 0 个值可以使用。 每个数字值以0 2 m v ( 0 0 0 5 f s o ) 的分辨率补偿输出( o f f s e t 或f s o ) 。在特定的 温度范围内选择特定的值补偿偏置和满量程输出由一个1 2 位的a d c 实现，而该a d c 由电桥电压驱动。这个1 2 0 段的补偿为在一个较宽的范围内补偿传感器温度误差提 供了一种途径。1 2 位的a d 转换精度高于补偿要求，因此有一定的自由度去调节系 统以满足不同电桥电压的温度灵敏度。 为了取得每一段的o f f s e t 和f s o 补偿值，m c a 7 7 0 7 可以确定一条通过固定 温度点的拟合曲线。传感器的最终温度误差是以下因素的函数： 选择的补偿段数 拟合曲线的精度，这取决于采用的算法、测试温度点数、传感器温度误差 形式 传感器重复性。该因素常因诸如稳定性、压力和温度迟滞、重复性等问题 限制了可以提供的精度。 3 。2 模拟电路部分 m c a 7 7 0 7 模拟部分主要由以下4 个主要部分组成： 可编程装置放大器。 可编程传感器激励电流源。 五个1 6 位数字，模拟转换器。 带数字增益和数字偏置修正的1 2 位模拟数字转换器，可编程的数字压力输出 的双通道差动模拟开关。 3 2 1 可编程装置放大器 1 0 堡窒堕奎至二茎兰堡主兰苎二一 可编程装置放大器是一个差分放大器，由一个3 位的可编程增益放大器( p g a ) 、 一个用于修正偏置系数和置温度系数的加法线路、一个有渐变输出能力的单端缓冲 器组成。下图为可编程装置放大器的功能图。 o t c s i 弘 图3 1 信号路径模块图 o t c ( 带符号的偏置温度系数) 和0 f f s e t ( 带符号的偏置) 的符号位由o t c s i g n 和 o f s t s i g n 两位设置。p o a 和总模块的输出相对与模拟地( a g n d ) 都是差分的。 差动输入电压( n 旧一i n m ) 具有普通的线线输入电压模式。信号路径改变装 置( 如o t c s i g n 、o f s t s i g n 和p g a 增益) 的控制信号由寄存器c r l 决定。 p g a 是用开关电容器技术实现的设计稳定的差分斩波器。其增益由下表所示的 3 位( 装置寄存器c r i 中的p g a 位) 进行编程。可编程增益放大器用于传感器的量程 修正，通过调整下表所示的三位设置传感器的电桥电流，以实现所需的理想量程。 p g a位总增益 m s bn s bl s bv n 0o05 4 ool9 0 o1o1 2 6 o111 6 2 lo01 9 8 1ol2 3 4 llo2 7 0 1ll3 0 6 表3 - 1p g a 增益表 m s b ：百位n s b ：十位l s b ：个位 3 2 2 可编程电流源 可编程传感器激励电流源可用于进行传感器灵敏度的修正，通过量程温度系数 转换器和露程线性转换器的反馈，控制激励电流源产生的电流的大小，以实现要求 一鉴坚：! ! 堑茎墨茎茎叁茎堡盐一 一一 的理想量程，其原理图见图3 3 a 芯片的电流源用电流镜实现。量程系数转换器( f s o d a c ) 的输出电压通过电阻 r i s r c 设置i s r c 端( 电流源参考端) 的电流”i i 同时该电流受反馈电阻r s t c ( 量程温 度系数修正) 和r i 烈( 压力线性修正) 的影响。总电流”i 被作为电流镜的参考，得电 桥电流i b = a a * i s r c 。该电流使电桥电阻的变化反映为电桥电压的变化，因此通过监 测和控制电桥电压可得到最佳的温度传感器，此时温度可由传感器元件自身测得， 从而减小了压力传感器与温度传感器的温度梯度误差，改善了温度瞬态误差。 3 2 3 数增e 转换器 m c a 7 7 0 7 仿真器含有五个1 6 位的数模转换器： 偏置系数转换器( o f s td a ) 偏置温度系数转换器( o t c d ，a ) 量程系数转换器( f s o d a ) 量程温度系数转换器( f s ot cd a ) 线性系数转换器( l i nd ，舢 这些转换器设计成一型，每个转换器均有一个内部参考电压：量程系数转 换器和偏置系数转换器为v d d ，量程温度系数转换器和偏置温度系数转换器为 v b u f f 。线性系数转换器的参考电压被接到外部仿真器的引脚上，通常与v o u t 相连。 量程温度系数转换器和线性系数转换器的输出可由缓冲方式得到，因此它们可以驱 动外部反馈电阻。所有的转换器和控制寄存器是在每一次通过m c a 7 7 0 7 状态机器 时一次性设置的，对于仿真器工作频率而言相当于每秒设置大约3 次。 偏置系数转换器和量程系数转换器是静态转抉器，从e e p r o m 得到的系数不会 变化。偏置温度系数转换器和量程温度系数转换器都是动态的，因为从e e p r o m 装 入其中的系数是变化的，为一个有1 2 0 种可能的序列，但对每一个转换器是一独立 的系数，且其系数是通过与温度成正比的v b b u f 决定的，这些转换器对应地修正 偏置温度系数误差和量程温度系数误差。线性系数转换器也是动态的，因为其系数 以v o u t 为依据也是变化的。 对于线性系数转换器而言，其系数为一个由8 个可能值组成的序列中的一个， 且这些系数是由v o u t 选择的。对于二阶线性修正而言，如果采用标准的产品，这些 系数将为同一个值但不为零值。如不需要量程线性修正，可不接外部反馈电阻r l i n 或在e e p r o m 的矢量表中线性系数转换器对应的8 个地址处全部填o x 0 0 0 0 。 偏置温度系数转换器和量程温度系数转换器相应地修正偏置温度系数误差和量 程温度系数误差，每个动态转换器都由一个1 2 0 个系数的序列组成。 由于传感器电桥由恒流源驱动，而桥路电阻有温度系数，所以电桥激励电压与 温度有关a 因此，b d r i v e 的电压与温度有关。m c a 7 7 0 7 取得缓冲桥路电压并通过 - 1 2 堕壅塾皇垫二塞奎兰堡_ 圭兰墨一 a f d 转换产生与温度有关的e e p r o m 矢量表地址来对其进行处理a 通过在c r 2 中存放适当的a d 偏置和数字增益系数，可产生一系列用于把特定 温度系数从矢量表装进动态d a 转换器中的地址向量。因此对于任意小的温度范围 t ，只有一个独立的系数可装入仿真器的偏置温度系数转换器和量程温度系数转换 器。当温度升高或降低时，仿真器将装入不同的系数。这种误差修正方法可修正量 程和偏置的温度重复性误差。 动态线性转换器的运行与偏置温度系数转换器和量程温度系数转换器十分相 似。从矢量表地址1 2 8 处开始含有8 个量程线性( 压力线性) 修正系数，根据v o u t 值将8 个特定系数中的一个装入线性转换器( 详情见表3 3 ，注意其范围与v d d 成 正比，该表中v d d 为5 v ) 。对于标准装置，地址1 2 8 1 3 5 处的内容必需相同并且其 系数决定仿真器的线性反馈。 矢量表地址v o u t 值的范围( v ) 1 2 80 0 0 0 v o u t 0 1 5 6 1 2 9 0 1 5 6 v o u t 0 9 3 8 1 3 0 0 9 3 8 v o u t 1 7 1 9 i 3 l 1 7 1 9 v o u t 2 5 0 0 1 3 2 2 5 0 0 v j u t 3 2 8 1 1 3 3 3 2 8 1 v o u t 4 0 6 3 1 3 4 4 0 6 3 、，o u t 4 8 4 4 1 3 5 4 8 4 4 ) u t 5 0 0 0 表3 - 2 动态线性d a 转换器 3 2 4 模，数转换器 图3 - 2 所示为m c a 7 7 0 7 中的模数转换器，有1 6 位的分辨率和1 2 位的精度。 一旦开始次转换，将根据状态机器的状态产生1 6 位数值，然后减去1 2 位的偏置， 再除以n ( n = i ，2 ，4 ，8 ) ，这就是数值增益调节，然后就产生了1 2 位的数字输出。 模数转换器有连接到可用于选择v b b u f 或v o u t ( 任意压力输出) 的差动输入 多路调制器的差动输入。在v b b u f 与多路选通器之间有一个2 位的可编程模拟增 益放大器。p g a 的增益范围在1 5 2 之间分四个值。装置寄存器c r l 中的这些位 作为v b b u f p g a 增益位。 在e e p r o m 的装置寄存器c r 2 存有模，数转换器的数字可编程增益和偏置系数。 注意c r 2 ( 数字增益和偏置) 的值仅当模，数转换器产生e e p r o m 的量程温度系数、偏 置温度系数或量程线性系数( 任意数字压力输出) 修正矢量表的地址时才用到。 当表示v b b u f 或v o u t ( 任意) 的模，数转换器输出时，它表示的是对数字增益 和偏置修正未进行任何数字化数学处理的1 2 位数值。 _-一 - j 3 肛壑翌! 堑窒墨茎垄茎墨塑茎 一一 一一一 模数转换器每次转换需要 大约1 6 0 0 0 f c l k s 。另外，在 进行增益和偏置的数字处理 时还需要两个以上的时钟。 模数转换器每次经过状态机 器要做两个转换，分别是关 于v b b u f 和v o u t 的转换。 图3 - - 2模数转换器图 第一个是v b b u f 转换，在状 态0 的开始处被初始化。在状态2 5 6 处模数转换器的数字输出需要1 6 3 8 4 f o l k s ，这 个值可通过c r 2 的数字增益和偏置系数得到改变，用7 个m s b s 来映射以查询状态 2 5 6 处的偏置温度系数矢量表。在状态2 5 7 处，地址被加上了1 2 8 以指出量程温度 系数的矢量表的地址。最后在状态2 5 8 处，v b b u f 的模，数转换值的起始1 2 位m s b l s 被作为电桥电压的数值表示，通过导线接口送出n 在状态2 5 6 处v b b u f 转换完成且转换值被读进内部保持寄存器后，模数转换 器重新开始转换此时的v o u t 值。在状态5 0 8 处，一个1 2 位的数值通过微线路总 线送入测试系统。v o u t 的转换时间略少于v b b u f ，为1 6 1 9 2 f e l k 。s 。最后在5 1 1 处，v o u t 模，数转换输出值的3 位m s b s 用来作为量程线性系数矢量表的地址。 这是通过将3 位数值加在量程线性矢量表空间的地址来完成的。 v b b u f 可编程增益放大器的p g a 增益由两个位( 见外部e e p r o m 装置寄存器 c r i 的v b b u fp g a 位) 决定，定义如下： v b b u f p g a 位总增益 m s bl s b 0o1 o o11 5 l02 o 112 5 表3 3 j b u f 可编程增益放大器增益结构 v b b u f 随温度发生变化，能及时反映传感器所处环境的温度，并以此为依据确 定矢量表的地址，以取得对传感器的输出进行补偿和修正的量程温度修正系数和偏 置温度修正系数。当v b b u f 的变化比较小，无法确定矢量表的具体地址时，就需 要对v b b u f 进行放大。v b b u f 可编程增益放大器就是用来对缓冲电压v b b u f 进 行增益放大，它可根据实际情况确定所需的增益放大倍数。 3 3 数字电路部分 童室塾兰蒸丕查生翌二兰堡苎一 m c a 7 7 0 7 的数字部分为一个1 6 位的a d 转换器及其相关数学单元、五个1 6 位的d a 转换器和一个9 3 c 6 6 系列的外部e e p r o m 。数字部分支持e e p r o m 用于 存储测试位和校准系数，支持两个1 6 位存储器用于存储模拟部分和逻辑单元的控制 信号。数字部分完成以下操作： 用外部e e p r o m 数据刷新结构寄存器( c r l ，c r 2 ) 、o f f s e td a c 和f s o d a c 内容 用由v b b u f 经a d 转换的数据为索引从e e p r o m 检索数据刷新o t c d a c 用由v o u t 经a d 转换的数据为索引从e e p r o m 检索数据刷新u n d a c 用由v b b u f 经a d 转换的数据为索引从e e p r o m 检索数据刷新f s o t c d a c 保持前次刷新的d a 和c r 数据 使a ，d 转换输出可见 经m c s 、e c s 、e c l k 、e d i 和e d o 与测试系统相接 3 3 1a d 转换器 a d 转换嚣反复转换电桥电压、v b b u f 和v o u t ，根据漂移和数字增益寄存 器的值产生1 2 位数据，在1 0 0 k h z 工作频率时转换时间为1 6 0 m s 。 1 2 位的转换数据对测试系统是可见的，并用于辅助模拟通道校准。a d 转换数 据用于生成地址，该地址为o t c 和f s o t c 指向e e p r o m 中的一个数据。因此从 e e p r o m 返回的数据取决于电桥电压( 温度) 、v b b u f 和v o u t 。 3 3 2 m c a 7 7 0 7 与测试系统接口 测试系统和m c a 7 7 0 7 的连接通过四个e e p r o m 管脚和m c s 实现，测试系统 必须通过连接刷新e e p r o m 数据和监控m c a 7 7 0 7 的数据。m c a 7 7 0 7 不含可直接 由测试系统寻址的寄存器，狈4 试系统只能刷新e e p r o m 数据并等待m c a 7 7 0 7 按照 状态机的控制从e e p r o m 取得数据。在没有从测试系统发来的驱动信号时有一个 5 0 k q 的内部上拉电阻使m c s 为高电平。m c a 7 7 0 7 读取e e p r o m 数据时包含5 个 连续的读操作。为了避免测试系统读e e p r o m 时被m c a 7 7 0 7 中断，测试系统要使 m c s 为低电平并监控e c s 信号，也就是在e c s 为低电平时控制总线。这保证 m c a 7 7 0 7 e e p r o m 读过程不会空操作。 在状态2 5 8 和5 0 8 时，输出v b b u f 和v o u t 的1 2 位数据。m c a 7 7 0 7 在e d i 端输出1 2 位的a d 转换输出，忽视e e p r o m 在e d o 端产生的数据，因为在测试 阶段这些数据没有任何意义。 在m c s 未变为高电平时，m c a 7 7 0 7 进行正常的e e p r o m 读操作。此时测试 系统监控4 条徽线路，同时对所有的e e p r o m 数据或地址进行解码。 1s 堕皇! ! 竺! 曼窒墨墅垄兰墨j 坠茎一 3 3 3 外部e e p r o m 数字电路部分是与9 3 c 6 6 同容量、结构的e e p r o m 的接口ae e p r o m 存储5 个d a c 和2 个c r 的校准参数。o t cd a c 和f s o t cd a c 各有1 2 0 个存储参数， l i nd a c 有8 个存储参数，o f s t d a c 、f s od a c 、c r l 、c r 2 各有一个存储参数。 有四个存储区域是为测试系统保留的，它们不能由m c a 7 7 0 7 读取。它们用于 存储e e p r o m 校验和、i d 号、e e p r o m 数据写入的时间和日期。有一个1 6 位的 字为扩展备用。这四个区域可以由用户定义用于其他目的，但却不能保证它们可以 用于m c a 软件和测试硬件产品。 地址地址内容 0 x 0 0 c r l 系数( 信号通道系数) o x 0 1 c r 2 系数( a d 转换系数) o x 0 2 偏置系数( o f f s e t 系数) 0 x 0 3 量程系数( s p a n系数) 0 x 0 4 内存检验结果 o x 0 5 器件号 0 x 0 6 操作时间日期 o x 0 7 保留位 0 x 0 8 - - 0 x 7 f 偏置温度系数( o t c ) 0 x 8 0 如x 8 7 线性度系数( l i n ) 0 x 8 8 0 x f f 量程温度系数( s t c m c a 7 7 0 7 对e e p r o m 的操作总是限制为只读的，任何其它的e e p r o m 操作 都只能由测试系统而不能由m c a 7 7 0 7 进行，当进行e e p r o m 写操作时，测试系统 要提供m c s 信号。在m c s 被测试系统声明后m c a 7 7 0 7 必须在一个时钟周期内将 e c s 、e c l k 、e d i 、e d o 设为三态同意对e e p r o m 的总线操作。m c a 7 7 0 7 也将v o u t 和a m p o u t 设为三态，所有的内部数字活动都被悬挂起来，电流源和振荡器不再 工作，五个d a c 的状态不受影响，仍保持上一次的值。 在解除m c s 声明后，测试系统要产生开始位、选项代码、地址区域和数据区 域与e e p r o m 通信。进一步地，在任一次e e p r o m 写操作后，测试系统必须在总 线返还给m c a 7 7 0 7 前向e e p r o m 发送一个e w d s ( 禁止e e p r o m 写1 命令。e w d s 是一个禁止对e e p r o m 进行写操作的命令。因为m c a 7 7 0 7 始终是静态的，m c s 信号将在一段不确定的时间内保持低电平。在测试系统释放总线后，状态机将回到 零状态并在下一个f c l k 的上升沿立即开始运行。 _ - _ _ _ 一- _ _ _ _ - 一 1 6 塑重堕至堕委查兰里三_ _ l 2 二一 3 3 4 系数寄存器 数字电路部分包括两令1 6 位的系数寄存器( c r ) 。c r l 用于设置模拟通道的控制 位和v b b u fa d c 的增益，c r 2 用于设置a d 数字增益和漂移的控制位。c r l 和c r 2 都用e e p r o m 中的数据加载。为了兼容起见，测试系统必须将所有的保留位设为 “i ”。表3 5 是c r 各位的详细说明，注意：m c a 测试系统可能使用其中的一些位， 从m c a 7 7 0 7 的相关软件可以获得更多的信息。 位号码c r l 内容c r 2 内容 o o f f s e t t c 符号a d c o f f s e t 位0 1 o f f s e t 符号a d c o f f s e t 位1 2 保留a d c o f f s e t 位2 3 保留a d c o f f s e t 位3 4 保留a d c o f f s e t 位4 5 保留a d c o f f s e t 位5 6 保留a d c o f f s e t 位6 7 p g a 最低位a d c o f f s e t 位7 8 p g a 中间位a d c o f f s e t 位8 9 p g a 最高位a d c o f f s e t 位9 1 0 保留a d c o f f s e t 位1 0 1 1 保留a d c o f f s e t 位1 1 1 2 保留保留 1 3 保留保留 1 4 v b b u ff g a 增益最a d 增益位0 低位 1 5 v b b u fp g a 增益最a d 增益位1 高位 表3 - 5 系数寄存器详细内容 3 3 5 数模转换器 m c a 7 7 0 7 包括