CC BY
452Компоненты и технологии, № 2'2005
Нормализация сигналов
мостовых чувствительных элементов
С применением чувствительных элементов, построенных по схеме моста, возможно измерение различных физических величин. На практике мостовые чувствительные элементы используются в основном для измерения силы (веса) и давления, поэтому далее разговор пойдет именно о нормализации сигналов мостовых чувствительных элементов в функционально полных датчиках давления, включающих чувствительный элемент и электронную схему, позволяющую сформировать унифицированный сигнал постоянного тока. Достижения современных технологий позволяют интегрировать в одном кристалле как чувствительный элемент, так и схему обработки его сигнала, но, к сожалению, такие изделия предназначены для измерения относительно невысоких давлений и только в неагрессивных средах. По этой причине в абсолютном большинстве промышленных датчиков давления и других устройств с применением тензорезистивных чувствительных элементов чувствительный элемент и электронная схема существуют отдельно друг от друга.
Михаил Пушкарев
Электронная схема должна обеспечить питание чувствительного элемента, усиление его выходного дифференциального сигнала, скомпенсировать в той или иной степени температурный дрейф выходного сигнала чувствительного элемента, скорректировать при необходимости нелинейность его передаточной характеристики, сформировать унифицированный выходной сигнал и обеспечить возможность его точной подстройки, сохраняя стабильность характеристик в течение длительного времени. Дополнительно в схеме могут быть предусмотрены элементы защиты от радиопомех, возможность демпфирования сигнала чувствительного элемента с переключаемой степенью демпфирования, защита схемы от импульсных помех, элементы, обеспечивающие искробезопасность датчика, и т. д.
Мостовой чувствительный элемент характеризуется чувствительностью, начальным смещением выходного сигнала, нелинейностью, температурными дрейфами чувствительности и смещения, вариацией и гистерезисом. Последние две характеристики электронная схема скорректировать не в состоянии, и в дальнейшем они не обсуждаются. На практике удобнее оперировать такими характеристиками чувствительного элемента, как диапазон (разность между значениями выходного сигнала при максимальном и минимальном значениях входного воздействия и фиксированном значении напряжения или тока питания), нуль (выходной сигнал при минимальном входном воздействии и фиксированном питании), приведенный температурный дрейф нуля и диапазона (процентное отклонение нуля или диапазона с температурой по отношению к значению диапазона при средней рабочей температуре).
Наибольшее распространение получили мостовые чувствительные элементы, основой которых являются полупроводниковые резисторы. Об эффектах, имеющих место при деформации полупроводнико-
вых резисторов, и тонкостях терминологии можно прочитать в отдельной работе [1].
Для большинства чувствительных элементов характерны большой разброс диапазона от образца к образцу, наличие начального выходного сигнала той или иной полярности при отсутствии давления, значительный температурный дрейф диапазона и нуля. В некоторых конструкциях может наличествовать заметная нелинейность выходного сигнала от приложенного давления.
Температурный дрейф диапазона и нуля мостовых чувствительных элементов с полупроводниковыми резисторами обычно настолько значителен, что не позволяет применить их без температурной компенсации при существенном диапазоне рабочих температур датчика. Распространенные схемы термокомпенсации диапазона и нуля при питании чувствительного элемента постоянным током и постоянным напряжением приведены на рис. 1 и 2 соответственно. Термокомпенсация обеспечивается дополнением мостовой схемы чувствительного элемента прецизионными резисторами [2]. Зависимости характеристик реального чувствительного элемента от температуры до и после термокомпенсации изображены
Компоненты и технологии, № 2'2005
Таблица 1
на рис. 3 и 4. Термокомпенсация многократно снижает температурную зависимость характеристик чувствительного элемента, но тем не менее дополнительная температурная погрешность и после термокомпенсации остается заметной. Вследствие этого обстоятельства нет категорической необходимости использования в схеме датчика или в системе с такими датчиками компонентов с рекордными характеристиками, таких, как инструментальные усилители с минимально возможным температурным дрейфом смещения нуля или системные АЦП максимально возможного разрешения. В конечном итоге при существенном изменении температуры измеряемой или окружающей среды это не позволяет заметно повысить точность измерений.
Современные компоненты дают разработчикам большие возможности для схемотехнических решений в датчиках давления как массового применения, так и специализированных.
Необходимость обеспечить значительное усиление малого выходного сигнала чувствительного элемента и стабильную долговременную работоспособность при существенных колебаниях температуры в процессе эксплуатации предполагает использование в большинстве позиций электронной схемы датчика прецизионных компонентов. Несмотря на доступность большого количества специализированных микросхем, предназначен-
Микросхема Основные характеристики
Analog Devices |
AD623 Напряжение питания от 2,5 до 12 В. Усиление от 1 до 1000. Выходное напряжение от 0,01 В до Усс — 0,5 В.
AD627 Напряжение питания от 2,2 до 36 В. Усиление от 5 до 1000. Выход 1^аЙо-1^!.
AD22050 Инструментальный усилитель, выходной каскад. Напряжение питания от 3 до 36 В. Усиление от 1 до 160. Выходное напряжение от 0,02 В до Усс — 0,2 В. Дифференциальное входное сопротивление 400 кОм. Встроенный фильтр радиопомех. Защита от переполюсовки питания.
AD22055 Инструментальный усилитель, выходной каскад. Напряжение питания от 3 до 36 В. Усиление от 40 до 1000. Выходное напряжение от 0,02 В до Усс — 0,25 В. Дифференциальное входное сопротивление 230 кОм. Встроенный фильтр радиопомех. Защита от переполюсовки питания.
AD22057 Инструментальный усилитель, выходной каскад. Напряжение питания от 3 до 36 В. Усиление от 1 до 160. Выходное напряжение от 0,02 В до Усс — 0,2 В. Дифференциальное входное сопротивление 400 кОм. Встроенный фильтр радиопомех. Защита от переполюсовки питания.
Analog Microelectronics |
AM437 Инструментальный усилитель, выходной каскад, источник опорного напряжения 0,25 В. Напряжение питания 5 В. Усиление инструментального усилителя — 273. Усиление выходного каскада регулируемое. Компенсация начального сигнала чувствительного элемента. Выходной сигнал от 0,3 В до Усс — 0,2 В.
AM447 Инструментальный усилитель, выходной каскад, источник опорного напряжения 0,25 В, делитель напряжения 1:20. Напряжение питания 5 В. Усиление инструментального усилителя — 102. Усиление выходного каскада регулируемое. Компенсация начального сигнала чувствительного элемента. Выходной сигнал от 0,2 В до Усс — 0,2 В при выходном токе до 2 мА.
AM457 Инструментальный усилитель с выходным каскадом, операционный усилитель, подключенный к делителю напряжения питания 1:10, блок самодиагностики. Напряжение питания 5 В. Входной сигнал от ±5 до ±100 мВ. Выходной сигнал от 0,2 В до Усс — 0,2 В.
Linear Technology |
LT1789 | Напряжение питания от 2,2 до 36 В. Усиление от 1 до 1000. Выходное напряжение от 0,1 В до Vcc— 0,3 В. |
| Maxim |
MAX4460 Напряжение питания от 2,85 до 5 В. Усиление от 1 до 100. Выход 1^аЙо-1^!.
MAX4194 Напряжение питания от 2,7 до 7,5 В. Усиление от 1 до 10000. Выход 1^аЙо-1^!.
TEXAS INSTRUMENTS
INA122 Напряжение питания от 2,2 до 36 В. Усиление от 5 до 10000. Выход Кайо-!^!.
INA126 Напряжение питания от 2,7 до 36 В. Усиление от 5 до 10000. Выходное напряжение от 0,95 В до Усс — 0,9 В.
INA321 Напряжение питания от 2,7 до 5,5 В. Усиление от 5 до 1000. Выход 1^аЙо-1^!.
ных для работы с мостовыми чувствительными элементами, в схемотехнике датчиков находят применение микросхемы малой степени интеграции, такие, как инструментальные и операционные усилители. Предпочтительно применение активных компонентов, предназначенных для работы при однополярном питании. Для датчика с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА собственное потребление схемы не должно превышать 4 мА. Еще более жесткие требования по экономичности могут предъявляться к датчикам в системах с батарейным питанием. По этой причине при конструировании датчиков используются маломощные и микромощные компоненты. Однако применение микро-мощных компонентов может вызвать неко-
торые проблемы. Инструментальные усилители могут оказаться более восприимчивыми к воздействию радиопомех, а характеристики операционных усилителей — зависимыми от изменения тока нагрузки и т. п.
Интегральные микросхемы, предназначенные для применения в датчиках, в том числе и только в датчиках давления, выпускаются в основном фирмами, давно и успешно работающими в производстве активных компонентов для измерительной техники. Особняком среди них стоит фирма Analog Microelectronics, для которой такие изделия и собственно чувствительные элементы — основная продукция.
В таблице 1 приведен ряд наиболее подходящих для рассматриваемой задачи микросхем инструментальных усилителей.
10,000
8,000
6,000
4.000
2.000 0,000
-2,000
-4,000
-6,000
-8,000
■10,000 -40
нуль V"'
диапа зон
-20
40
60
0 20 температура, °С
Рис. 3. Температурный дрейф характеристик чувствительного элемента до термокомпенсации
80
диапазон
\ \
\\
\ \
\ \ нуль
\
20
температура, °С
40
60
80
Рис. 4. Температурный дрейф характеристик чувствительного элемента после термокомпенсации
Компоненты и технологии, № 2'2005
Таблица 2
Микросхема Функциональное назначение
Alfa
AS4205 Выходной каскад датчика с выходным сигналом 4-20 мА или 0-5 мА. Стабилизатор напряжения с внешним регулирующим транзистором и переключаемым выходным напряжением. Прецизионный стабилизатор питания чувствительного элемента с переключаемым напряжением. Источник опорного напряжения 2,5 В. Дополнительный операционный усилитель.
Analog Devices
AD421 Преобразователь цифрового кода в ток для датчиков с выходным сигналом 4-20 мА. Стабилизатор напряжения с внешним регулирующим транзистором.
Analog Microelectronics
AM400 Преобразователь для датчиков с выходными сигналами 0-5 В, 0-10 В, 0-20 мА, 4-20 мА. Инструментальный усилитель с выходным операционным усилителем и возможностью регулировки усиления. Преобразователь «напряжение—ток» с возможностью регулировки нуля. Источник опорного напряжения 5 В. Дополнительный ОУ, подключенный к опорному напряжению 1,27 В. Буферный усилитель с усилением 2,2. Одновременная работа с токовым и потенциальным выходом.
AM401 Преобразователь для датчиков с выходными сигналами 0,5-4,5 В, 0-5 В, 0-10 В. Инструментальный усилитель. Выходной операционный усилитель. Источник опорного напряжения с переключением 5, 10 В. Дополнительный ОУ, подключенный к опорному напряжению 1,27 В
AM402 Преобразователь для датчиков с выходными сигналами 0-20 мА, 4-20 мА в двухпроводном и трехпроводном включении. Инструментальный усилитель с возможностью регулировки усиления. Преобразователь «напряжение—ток» с возможностью регулировки нуля. Источник опорного напряжения с переключением 5, 10 В.
AM411 Преобразователь для датчиков с выходными сигналами 0,5-4,5 В, 0-5 В, 0-10 В. Инструментальный усилитель с выходным операционным усилителем и возможностью регулировки усиления. Источник опорного напряжения 5 В.
AM417 Преобразователь для датчика с выходным сигналом 0,5-4,5 В. Инструментальный усилитель с выходным операционным усилителем и возможностью регулировки усиления. Ток питания моста и выходной сигнал пропорциональны напряжению питания.
AM422 Преобразователь «напряжение—ток». Выходной сигнал 0-20 мА, 4-20 мА в двухпроводном и трехпроводном включении. Источник опорного напряжения с переключением 5, 10 В.
AM427 Преобразователь для датчика с выходным сигналом 0,5-4,5 В, пропорциональным напряжению питания. Инструментальный усилитель с выходным операционным усилителем и возможностью регулировки усиления. Ограничение выходного тока. Защита от перенапряжений.
AM442 Преобразователь для датчика с выходным сигналом 0-20 мА, 4-20 мА в двухпроводном и трехпроводном включении. Инструментальный усилитель с возможностью регулировки усиления. Преобразователь «напряжение — ток» с возможностью регулировки нуля. Источник опорного напряжения с переключением 5, 10 В. Дополнительный операционный усилитель, подключенный к опорному напряжению 1,27 В.
AM460 Преобразователь «напряжение—ток» с выходными сигналами 0-20 мА, 4-20 мА в двухпроводном и трехпроводном включении. Дополнительный выход 0-5 В, 0-10 В. Операционный усилитель. Преобразователь «напряжение—ток». Источник опорного напряжения с переключением 5, 10 В. Буферный усилитель с усилением 2,2. Дополнительный операционный усилитель, подключенный к опорному напряжению 1,27 В.
AM461 Схема для датчика с выходными сигналами 0-5 В, 0-10 В. Операционный усилитель. Источник опорного напряжения 5 В. Дополнительный операционный усилитель, подключенный к опорному напряжению 1,27 В.
AM462 Схема для датчика с выходными сигналами 0-20 мА, 4-20 мА. Операционный усилитель. Преобразователь «напряжение—ток». Источник опорного напряжения с переключением 5, 10 В. Дополнительный операционный усилитель, подключенный к опорному напряжению 1,27 В.
Maxim
MAX1450 Преобразователь для датчиков с потенциальным выходом без стабилизатора напряжения питания. Программируемый инструментальный усилитель. Регулировка нуля и диапазона. Аналоговая термокомпенсация нуля и диапазона. Аналоговая линеаризация.
MAX1458 Преобразователь для датчиков с потенциальным выходным сигналом, пропорциональным напряжению питания. Программируемый инструментальный усилитель. Цифровая коррекция нуля и диапазона. Аналоговая термокомпенсация диапазона. Цифровая термокомпенсация нуля.
MAX1459 Преобразователь для датчиков с выходным сигналом 4-20 мА. Функции аналогичны МАХ1458. Включает в себя дополнительный операционный усилитель.
MAX1478 Преобразователь с потенциальным выходным сигналом и выходом 1^Ио-1^!. Программируемый инструментальный усилитель. Цифровая коррекция нуля и диапазона. Аналоговая термокомпенсация диапазона. Цифровая термокомпенсация нуля.
Texas Instruments
XTR106 Схема двухпроводного датчика с выходным сигналом 4-20 мА. Стабилизатор напряжения 5,1 В. Источник опорного напряжения 2,5 В или 5 В. Питание чувствительного элемента постоянным напряжением. Коррекция нелинейности положительной и отрицательной.
XTR112 Схема двухпроводного датчика с выходным сигналом 4-20 мА. Два источника постоянного тока 250 мкА. Стабилизатор напряжения 5,1 В. Возможность питания чувствительного элемента постоянным током или постоянным напряжением. Функция коррекции положительной нелинейности.
XTR114 То же, что и ХЛ^112, но с источниками тока 100 мкА.
XTR115 Выходной каскад двухпроводного датчика с выходным сигналом 4-20 мА. Стабилизатор напряжения 5 В. Источник опорного напряжения 2,5 В.
XTR116 То же, что и ХЛ^115, но с источником опорного напряжения 4,096 В.
Из приведенных в таблице 1 инструментальных усилителей изделия фирмы Analog Microelectronics [3], а также AD22050, AD22055, AD22057 от Analog Devices имеют довольно специфическую конфигурацию и могут использоваться не со всеми чувствительными элементами. При выборе инструментального усилителя особое внимание следует обратить на зависимость максимального диапазона выходного сигнала от синфазного входного напряжения. В некоторых случаях для разрешения возникающего противоречия целесообразно ре-
зистор термокомпенсации диапазона чувствительного элемента, питаемого постоянным напряжением, разделить на два, включив их в верхний и нижний узлы питания моста.
В таблице 2 перечислены специализированные микросхемы для использования с мостовыми чувствительными элементами и в датчиках с унифицированными выходными сигналами постоянного тока.
К сожалению, практически все микросхемы, предназначенные для датчиков, имеют максимально допустимое напряжение питания,
не превышающее 40 В. В реальных условиях эксплуатации линии связи, проложенные по открытой местности или вблизи сильноточных линий электроснабжения, подвержены воздействию интенсивных импульсных помех, способных вывести датчики из строя. Для защиты от помех схема датчика должна быть дополнена элементами защиты, либо датчик должен использоваться в комплекте с соответствующим устройством защиты.
Зачастую специализированные микросхемы, включающие в себя практически все необходимые элементы схемы датчика, вследствие приспособленности к конкретным типам чувствительных элементов или особенностей национальных стандартов нормирования погрешностей датчиков не позволяют организовать удобную подстройку нуля и диапазона. Это относится к микросхемам XTR106, XTR112, XTR114. Другие микросхемы, например изделия Analog Microelectronics, требуют наличия электролитического конденсатора, что предполагает включение в схему взрывозащищенного датчика элементов, обеспечивающих искробезопасность. Для части микросхем единственно возможным вариантом питания чувствительного элемента является питание постоянным током, что не всегда подходит для конкретного типа чувствительного элемента. По этим причинам до сих пор в схемотехнических решениях часто используется по несколько микросхем небольшой степени интеграции.
Некоторые микросхемы предназначены для использования с внешним транзистором стабилизатора напряжения, что позволяет без труда реализовать схему, выдерживающую импульсные помехи вплоть до 200 В. Примером такого изделия является микросхема AS4205 [4], предназначенная для применения в датчиках с выходным сигналом 4-20 мА или 0-5 мА. Микросхема, названная производителем универсальным интерфейсом 4-20 мА/ 0-5 мА, дает разработчику множество возможностей. В состав микросхемы входят стабилизатор напряжения с переключаемым напряжением 5, 7, 17 В, преобразователь входного напряжения в выходной ток датчика, прецизионный стабилизатор напряжения для питания чувствительного элемента с переключением на 3, 4, 5 В, источник опорного напряжения 2,5 В, дополнительный операционный усилитель. Микросхема позволяет организовать удобную регулировку усиления и смещения. Это, пожалуй, единственная специализированная микросхема для датчиков, работоспособность которой гарантируется при очень низких температурах (диапазон рабочих температур от -63 до +100 °С).
Пример схемы датчика с выходным сигналом 4-20 мА с применением микросхемы AS4205 приведен на рис. 5. Схема состоит из мостового чувствительного элемента с уже известными резисторами термокомпенсации диапазона R1 и нуля R2, инструментального усилителя DA1, обеспечивающего основное усиление и преобразование дифференциального входного сигнала в однополярный выходной сигнал, и микросхемы DA2 AS4205, выполняющей несколько функций: преобразо-
Компоненты и технологии, № 2'2005
вание потенциального входного сигнала в токовый выходной, стабилизированное питание инструментального усилителя, прецизионное питание чувствительного элемента. Часть опорного напряжения через делитель и буферный повторитель подается на вход REF инструментального усилителя. Это позволяет использовать чувствительные элементы независимо от знака смещения нуля. Грубая установка диапазона обеспечивается подбором сопротивления резистора R5. Плавная регулировка диапазона и нуля обеспечивается переменными резисторами R9 и R11 соответственно. В отличие от часто рекомендуемого в справочных листах на микросхемы включения переменных резисторов реостатом, в схеме использовано включение потенциометром. Это позволяет использовать переменные резисторы с большим отклонением от номинального значения сопротивления и значительным температурным коэффициентом сопротивления. Глубина регулировки диапазона зависит от соотношения сопротивлений R8, R9, а нуля — от величины сопротивления резистора R11.
Практически обязательным в датчиках (по крайней мере, не предназначенных специально для контроля параметров быстропеременных процессов) является фильтр защиты от радиопомех, которые, проникая на вход инструментального усилителя, детектируются его элементами и в конечном итоге могут существенно изменить выходной сигнал датчика. В схеме это фильтр на элементах C1-C3, R3, R4. Требования к номиналам элементов этого фильтра и условиям их размещения на печатной плате имеются практически в любом справочном листе на микросхемы, которые предлагаются для использования с мостовыми чувствительными элементами. Обычное требование максимального совпадения номиналов компонентов в каждой из ветвей фильтра, чтобы дифференциальная составляющая помехи, вызванная разбросом номиналов, была минимальной. На практике добиться полного ее отсутствия, как правило, не удается из-за наличия дифференциальной составляющей помехи уже на входе фильтра из-за различия в топологии резисторов в смежных плечах моста.
В микросхемах фирмы Maxim [5] термокомпенсация обеспечивается изменением режимов внутри схемы. Эта технология несколько удобнее при калибровке датчика, чем упомянутая выше, но дополнительная температурная погрешность датчика остается такой же.
Передаточная функция мостового чувствительного элемента в функции давления и температуры описывается следующей зависимостью:
КЧЭ(р,Т) = k0+k1xT+k2xT2+
+ (k3xp+k4xp2)x(1+k5xT+k6xT2)
Если определить коэффициенты этой зависимости и сформировать выходной сигнал датчика соответствующим образом, то можно получить датчик с весьма малой погрешностью в широком температурном диапазоне.
С появлением экономичных микроконтроллеров, АЦП и ЦАП, в том числе и специализированных, начался новый этап развития электроники в датчиках. Обязательными элементами такого датчика являются входной инструментальный усилитель, усилитель канала температуры, многоканальный АЦП, микроконтроллер, энергонезависимая память, ЦАП, формирователь выходного сигнала и стабилизатор напряжения. Часть элементов может интегрироваться, например, АЦП имеет в своем составе инструментальный усилитель, микроконтроллер с собственной электрически перепрограммируемой памятью, а ЦАП совмещен с формирователем выходного сигнала и стабилизатором напряжения. Необходимо учесть, что при применении АЦП со встроенным программируемым инструментальным усилителем используется не более половины его динамического диапазона. Большое разнообразие предлагаемых микросхем предполагает и множество вариантов аппаратных и программных решений в датчике. В работе [6] описывается датчик разности давлений с применением АЦП AD7714, микропроцессора MSP430 и ЦАП AD420. Имеются и такие микросхемы, как семейство микроконверторов ADuC8xx фирмы Analog Devices, в которых интегрированы практически все не-
обходимые элементы. Датчики с применением ЛБиС836 описываются в работе [7].
Калибровка датчика проводится при трех значениях рабочей температуры, предпочтительно на краях и в середине температурного диапазона, при этом характеристики датчика измеряются при минимальном и максимальном давлении в крайних температурах и в трех точках, включая среднее значение давления, при средней температуре. По результатам калибровки при средней температуре рассчитывается нелинейность и соответствующие коэффициенты коррекции, при этом предполагается, хотя и не всегда обоснованно, что нелинейность передаточной характеристики чувствительного элемента не зависит от температуры.
Описание передаточной характеристики чувствительного элемента (точнее передаточного тракта датчика в целом) полиномом второй степени позволяет обеспечить относительную приведенную погрешность датчика до уровня менее 0,1% в рабочем диапазоне температур. Увеличение количества точек калибровки по температуре для увеличения степени аппроксимирующего полинома в попытке повысить точность практически не дает удовлетворительных результатов. Повышение степени аппроксимирующего полинома обычно увеличивает погрешность аппроксимации, а неизбежные погрешности измерений характеристик датчика при калибровке еще и усугубляют этот эффект.
С характеристиками серийных датчиков с микроконтроллером в сравнении с датчиками с аналоговым трактом можно познакомиться в работе [8].
Применение микроконтроллера позволяет, кроме достижения высокой точности датчика, иметь функции, практически нереализуемые в аналоговых схемах:
• переключение на любой произвольный диапазон давления внутри номинального диапазона с кратностью до 1:10 и более, в идеале без последующей калибровки и поверки и без существенного снижения точности;
• работа в режиме «электронной лупы» внутри номинального диапазона;
Компоненты и технологии, № 2'2005
• установка нуля после монтажа датчика на объект;
• изменение вида выходного сигнала (линейно-нарастающий, линейно-падающий, с корнеизвлекающей характеристикой);
• изменяемое в широких пределах демпфирование передаточной характеристики;
• диагностика и самодиагностика состояния датчика.
Дополнение датчика модулем цифровой связи позволяет выполнять все эти операции дистанционно.
Недостатком датчиков с цифровым преобразованием сигнала, в большинстве применений несущественным, является крайне малое быстродействие. Полоса пропускания сигнала обычно не превышает нескольких десятков герц.
Альтернативным решением для высокоточных датчиков стали микросхемы с полностью аналоговым трактом передачи сигнала и цифровой коррекцией усиления и смещения. Это MLX90308 фирмы Melexis [9], MAX1452, MAX1455, MAX1457 фирмы Maxim [10] и PGA309 от Texas Instruments [11]. Общее в этих микросхемах — цифровая коррекция усиления и смещения с изменением температуры, позволяющая скорректировать дополнительную температурную погрешность чувствительного элемента и получить в конечном итоге весьма высокую точность датчика. Основная идея, реализованная в этих микросхемах, заключается в изменении усиления и смещения в соответствии с измеряемой текущей температурой и характеристиками использованного чувствительного элемента. Внутри рабочего температурного диапазона датчика устанавливается некоторое количество опорных температурных точек, для которых по результатам калибровки датчика рассчитываются соответствующие температурные коэффициенты усиления и смещения. Эти температурные коэффициенты хранятся в энергонезависимой памяти. В рабочем режиме датчика по результатам измерения температуры в регистры заносятся соответствующие данные из памяти и выполняются соответствующие переключения. В MLX90308 пользователем выбирается до 5 температурных точек, в вышеперечисленных микросхемах фирмы Maxim — до 120, в PGA309 — до 17.
В микросхемах MLX90308 и PGA309 при изменении температуры усиление и смещение изменяются линейно, в микросхемах Maxim — скачком.
Рассмотрим подробнее микросхему PGA309.
В отличие от других микросхем подобного назначения она требует внешнюю энергонезависимую память и позволяет без дополнительных элементов реализовать только потенциальный выходной сигнал в диапазоне от 0,1 до 5 В.
Основа PGA309 — это входной программируемый инструментальный усилитель, построенный на трех операционных усилителях с автокоррекцией нуля, имеющий десять ступеней усиления от 4 до 128. На входе инструментального усилителя предусмотрена схема грубой регулировки смещения, позволяющая скомпенсировать начальное смещение нуля чувствительного элемента любой полярности от 0 до 64 мВ ступенями через 4 мВ. Вход-
Рис. 6. Температурный дрейф выходного сигнала датчика с PGA309
ной усилитель вместе со схемой грубой регулировки смещения имеют чрезвычайно низкий температурный дрейф. Выходной сигнал инструментального усилителя суммируется с сигналом схемы точной регулировки смещения, имеющей программируемый диапазон выходного сигнала в пределах опорного напряжения с разрешением 1/65536 от опорного напряжения. Далее сигнал поступает в ступень точной регулировки усиления, представляющую собой цифровой потенциометр с коэффициентом передачи от 0,33 до 1 и разрешением 1/65536. И, наконец, сигнал усиливается выходным усилителем с программируемым усилением от 2 до 9, имеющим 7 ступеней усиления. Кроме того, выходной усилитель позволяет установку произвольного значения усиления двумя внешними резисторами. Суммарный коэффициент усиления схемы может находиться в пределах от 2,64 до 1152. Выходной усилитель скорректирован для работы на емкостную нагрузку до 10 нФ.
Блок измерения температуры позволяет контролировать как внутреннюю температуру кристалла микросхемы, так и внешнюю температуру по падению напряжения от тока моста на дополнительном резисторе или напряжению на внешнем датчике температуры (диод, терморезистор). Усилитель АЦП «температура» имеет 4 ступени усиления от 1 до 8 и четыре ступени разрешающей способности от 11 до 15 бит. Кроме того, возможно несколько вариантов опорного напряжения для АЦП, включение дополнительного резистора как в положительный, так и в отрицательный полюс питания моста. Все это обеспечивает чрезвычайную гибкость при измерении температуры. Отметим, что контроль температуры по встроенному датчику не всегда позволяет обеспечить максимально возможную точность даже при компактном размещении чувствительного элемента и электронной схемы при существенной разнице температур измеряемой и окружающей среды.
Предусмотрено несколько вариантов питания чувствительного элемента: от источника опорного напряжения, от выходной цепи каскада линеаризации передаточной характеристики, непосредственно от источника питания датчика. Первый вариант обеспечивает наибольшее из возможных стабильных напряже-
ний и предпочтителен при использовании чувствительных элементов, не имеющих заметной нелинейности. Во втором варианте обеспечивается аналоговая коррекция нелинейности, как положительной, так и отрицательной. Наилучший результат коррекции может быть получен для чувствительных элементов, имеющих максимальное отклонение передаточной характеристики от идеальной точно в середине рабочего диапазона давления. Третий вариант питания чувствительного элемента обеспечивает так называемое пропорциональное измерение, когда выходной сигнал датчика пропорционален его напряжению питания. Такое решение применяется в компактных измерительных системах, например в автомобиле, когда напряжение питания датчиков является опорным напряжением системного АЦП, при этом к источнику питания не предъявляется жестких требований по температурной и временной стабильности.
В процессе калибровки по результатам расчета коэффициентов аппроксимирующего полинома вычисляется от 1 до 17 пар температурных коэффициентов усиления и смещения, которые записываются во внешнюю энергонезависимую память. В процессе эксплуатации под действием внутреннего управляющего устройства циклически считывается температура, что вызывает считывание температурных коэффициентов в регистры микросхемы и установку соответствующих значений усиления и смещения. Между опорными точками усиление и смещение с температурой изменяются линейно.
Микросхема содержит блок мониторинга неисправностей, таких, как обрыв чувствительного элемента или его перегрузка, с сигнализацией неисправности путем вывода выходного сигнала за пределы номинального диапазона. В процессе калибровки возможен мониторинг состояния потенциалов в критических точках инструментального усилителя с подобной же сигнализацией.
Связь с компьютером при калибровке организуется через один из доступных интерфейсов: однопроводной или двухпроводный, причем однопроводной интерфейс в трехпроводном датчике с потенциальным выходным сигналом может быть совмещен с выходной цепью датчика.
Компоненты и технологии, № 2'2005
PGA309 поддерживается набором разработчика, включающим плату датчика, плату связи с компьютером и программное обеспечение, которых достаточно для оценки применимости микросхемы в разрабатываемой конструкции и изготовления опытных образцов.
На рис. 6 показаны характеристики датчика на микросхеме PGA309 с выходным сигналом 0,5-4,5 В с чувствительным элементом, характеристики которого приведены на рис. 1. Как видим, использование технологии цифровой регулировки в аналоговом тракте позволяет добиться очень хороших показателей. При этом аппаратные затраты заметно меньше, чем при использовании цифровых технологий, а быстродействие датчика практически может ограничиваться только характеристиками чувствительного элемента.
Максимальное использование возможностей современной микроэлектроники демонстрирует фирма Ме1ех18 в своих изделиях MLX90257 и MLX90269, датчиках избыточного и абсолютного давления, в которых чувствительный элемент и схема нормализации выполнены в одном кристалле. Датчики после соответствующей калибровки имеют относительную приведенную погрешность не хуже 1% в диапазоне температур от -40 до +150 °С. Это очень впечатляющий показатель для полностью интегрированной конструкции. Однако следует учитывать, что датчики рассчитаны на небольшие давления до 10 бар и предназначены для измерения давления только в газовых средах без агрессивных примесей.
Литература
1. Лугин А. Н. Тензорезистивный эффект в материалах. Термины и определения //Датчики и системы, 203, № 8, с. 2-5.
2. Мартынов Д. Б., Стучебников В. М., Температурная коррекция тензопреобразователей давления на основе КНС // Датчики и системы, 2002, № 10, с. 6-12.
3. www.analogmicro.de/english/standard/ index.html.
4. www.alfarzpp.lv/rus/sc/AS4205.pdf.
5. Ракович Н. Формирователи сигналов датчиков Махіт // Компоненты и технологии,
2003, № 7, с. 82-85.
6. Почивалин О. П., Пох А. В. Применение микроконтроллеров М8Р430 в датчиках разности давлений // Датчики и системы. 2003, № 11, с. 31-33.
7. Датчики давления, разрежения и разности давлений «Сигнал-И» // Датчики и системы,
2004, № 8, с. 58-59.
8. Бушев Е. Е., Николайчук О. Л., Стучебников В. М. Серия общепромышленных датчиков МИДА-13П // Датчики и системы, 2004, № 6, с. 48-51.
9. www.melexis.com/prodmain.asp_Q_fami-ly_E_MLX9038.
10. Ракович Н. Процессоры МАХ14хх для обработки сигналов датчиков // Компоненты и технологии, 2003, № 8, с. 82-86.
11. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/ print/pga309.html.
