应用笔记 4067

利用MAX1452实现远端传感器补偿

By: Youssof Fathi

摘要 : MAX1452高性能模拟信号调理器通过片内闪存查找表或者OTC和FSOTC DAC实现线性补偿。对于MAX1452温度和传感器温度不同的应用(例如,传感器位于距离MAX1452较远的位置),应采用OTC和FSOTC DAC来补偿传感器输出。本应用笔记详细介绍实现这类远端传感器补偿的过程。在本文中,假设读者熟悉MAX1452及其基本操作。

引言

MAX1452是高性能、低成本信号调理器,它具有片内闪存、片内温度传感器和全模拟信号通路。各种工业和汽车传感器领域都采用了信号调理器,包括只限于对两个温度点进行补偿的应用。这种限制是出于成本、生产的考虑,并且无法将传感器和信号调理器保持在同一温度下。

MAX1452信号调理器支持两种补偿方法:
  1. 第一种方法在两个温度点之间进行线性外推处理(针对FSO和OFF DAC值),以相应的温度系数装入OFF和FSO查找表的每一单元,以纠正输入信号的TC偏差。在这种方法中,OTC和FSOTC DAC被设置为任一固定值(和补偿过程使用的数值一样)。在工作期间,随MAX1452温度的变化,以相应的系数来更新OFF和FSO DAC,从而补偿输入信号。

  2. 在第二种方法中,把OFF和FSO查找表当做一个DAC。利用随温度变化的电桥激励电压(VB)作为温度参数,该电压是OTC和FSOTC DAC的基准电压。根据补偿期间的测量结果,计算OFF、FSO、OTC和FSOTC DAC的值。当MAX1452和传感器无法保持同一温度时,必须采用这一方法。它也可以用于MAX1452和传感器温度相同的情况。
这两种方法应该产生相似的结果。如果正确实施,这些方法能够完全消除输入信号TC误差的线性分量,降低输出误差,只剩下输入信号TC误差的非线性分量。

MAX1452用户手册详细介绍了第一种方法,本应用笔记不再介绍。下面介绍通常被称为远端传感器补偿的第二种方法。

远端传感器补偿过程

下面介绍怎样补偿压力变送器,它采用了MAX1452和100KPaG PRT压力传感器。表1图1图3列出了补偿结果。变送器通过补偿来产生所需的0.5V失调电压[VOUT(PMIN)]和4.0V FSO电压[VOUT (PMAX) - VOUT (PMIN)]。因此,满量程压力检测输出电压[VOUT(PMAX)]应该是4.5V。补偿过程至少需要两个压力点(零和满量程)以及两个任意温度点(T1和T2,其中T2 > T1)。选择的T1和T2应该使数据点达到最佳线性拟和,以降低整个工作温度范围内的误差。

下面列出了补偿过程的主要步骤:
  1. 系数初始化
  2. FSO校准
  3. FSO和FSOTC补偿
  4. OTC补偿
  5. OFF补偿

系数初始化

在开始之前,必须设置PGA增益、IRO索引和DAC,以防止PGA输出在补偿过程中过载。这些数值取决于传感器特性,可以参考传感器数据资料,获得传感器特性。

选择PGA增益设置

对于典型的2.5V电桥激励电压(VB),以测得的传感器步长(VSOUT)来划分变送器的满量程输出电压(VFSODESIRED),计算所需的信号增益。然后,从MAX1452数据资料的PGA表中选择给出更大的PGAGAIN的PGAINDEX

例如,2.5V激励0.0364V输出和4.0V VFSODESIRED的传感器需要110V/V的信号增益。根据数据资料的PGA表,选择PGA[3:0] = 0110,它对应于117V/V增益。

选择IRO索引

计算典型2.5V电桥激励电压时的传感器失调。然后,从MAX1452数据资料IRO表中,选择最接近IRO DAC输出的IROINDEX,但是它应该和传感器的失调反向。

例子:对于+30mV失调的传感器,选择IRO[2:0] = 011,符号位 = 0,对应于-27mV失调校准。

选择初始OTC DAC值

通常情况下,因为在以后补偿OTC,因此一开始可以把OTC DAC值设置为零。但是,具有较大失调TC误差的传感器可能需要先进行粗略的OTC调整,以防止输出在补偿期间出现饱和。对于失调TC误差大于满量程输出10%的传感器,建议采用不为零的OTC初始值。可以按下面的公式来计算初始OTC值:

公式1

其中,VB(T1) = 2.5V,利用传感器数据资料提供的传感器参数计算VSOUT(T1)、VSOUT(T2)和VB(T2)。

必须将OTC值写入到OTC DAC中,并相应地设置配置寄存器的OTC符号位。

FSO校准

按照以下步骤确定初始FSO DAC值:
  1. 将FSOTC DAC设置为任意值,例如0。

  2. 传感器加载PMIN。PMIN代表最小压力。

  3. 调整FSO DAC,直到电桥激励电压接近2.5V。

  4. 测量电桥激励电压(VB)。

  5. 调整OFF DAC,将PGAOUT电压设置为0.5V。

  6. 测量PGAOUT,VOUT(PMIN)。

  7. 传感器加载PMAX。PMAX代表最大压力。

  8. 测量PGAOUT,VOUT(PMAX)。

  9. 按照下面的公式计算VBIDEAL

    公式2

    如果VBIDEAL超出允许范围[1.5V至(VDD - 0.5V)],重新调整PGAGAIN设置。如果VBIDEAL过低,在第一步中减小PGAGAIN,然后返回第二步。如果VBIDEAL过高,在第一步中增大PGAGAIN,然后返回第二步。注意,在整个操作范围内,须满足1.5V < VB < (VDD - 0.5V)的范围限制。因此,必须为VB随温度变化留有足够的裕量。

  10. 通过调整FSO DAC设置VBIDEAL

  11. 重新调整OFF DAC,直到PGAOUT达到0.5V。

FSO和FSOTC补偿

可以通过四个步骤来确定FSO和FSOTC系数。在第一步中,确定在T1产生VBIDEAL的两对FSO和FSOTC值。在第二步中,确定在T2产生VBIDEAL的两对FSO和FSOTC值。在第三步,把在T1和T2测得的FSO和FSOTC值代入相应的公式中,计算补偿FSO和FSOTC,理论上,这些值将产生适用于任意温度的VBIDEAL。在第四步中,调整FSO DAC,以微调满量程输出。
  1. T1的理想电桥电压,VBIDEAL(T1)

      A. 把温度设置为T1,使电桥电压有足够的吸收时间,稳定在0.1mV/min以内。

      B. 传感器加载PMIN

      C. 测量电桥激励电压(VB)。

      D. 测量PGAOUT,VOUT(PMIN)。

      E. 传感器加载PMAX

      F. 测量PGAOUT,VOUT(PMAX)。

      G. 利用公式2计算VBIDEAL(T1)。

      H. 通过调整FSO DAC设置VBIDEAL

      I. 重新测量VOUT(PMAX)和VOUT(PMIN),验证已经达到了合适的VFSODESIRED电平。如果没有,从B开始,重新进行所有步骤。

      J. 把当前的FSO和FSOTC值分别记为FSO1(T1)和FSOTC1(T1)。

      K. FSO DAC数值增加(或减小) 5000个计数值。

      L. 调整FSOTC DAC值,直到VB = VBIDEAL(T1)。

      M. 把当前的FSO和FSOTC值分别记为FSO2(T1)和FSOTC2(T1)。

      N. 传感器加载PMIN

      O. 读取输出电压,并记录为VOUT(T1)。后面的OTC补偿将用到该数值。

      P. 读取VB,并记录为VB(T1)。该数值应该和VBIDEAL(T1)相同,后面的OTC补偿需要。

  2. T2的理想电桥电压,VBIDEAL(T2)

      A. 把温度设置为T2,使电桥电压有足够的吸收时间,稳定在0.1mV/min以内。

      B. 传感器加载PMIN

      C. 读取输出电压,并记录为VOUT(T2)。后面的OTC补偿将用到该数值。

      D. 读取VB,并记录为VB(T2)。

      E. 通过和上面相同的步骤确定VBIDEAL(T2)值。

      F. 通过和上面相同的步骤确定FSO1(T2)和FSOTC1(T2)值。

      G. 通过和上面相同的步骤确定FSO2(T1)和FSOTC2(T2)值。

      H. 传感器加载PMIN

  3. 计算FSO和FSOTC系数。

      A. T1处的FSO和FSOTC曲线/函数:

      公式3

      B. T2处的FSO和FSOTC曲线/函数:

      公式3a

      C. 最终的FSO系数:

      公式4

      D. 最终的FSOTC系数:

      公式5


  4. 将计算的FSO和FSOTC值装载到FSO和FSOTC DAC中,如果需要,调整FSO DAC,直到电桥激励电压等于VBIDEAL(T2)。
这就完成了FSO和FSOTC补偿。在这一点,变送器的FSO输出必须等于VFSODESIRED电平。

OTC补偿

由于已经收集到了计算最终OTC值所需的全部信息,可使用下式计算:

公式6

其中:
NewOTC是最终OTC系数;
CurrentOTC是OTC DAC中的当前值;
VOUT(T1)和VB(T1)是T1的最后一次测量值;
VOUT(T2)和VB(T2)是T2吸收后的第一次测量值。

把NewOTC值写入OTC DAC,并相应的在配置寄存器中设置OTC DAC符号位。

OFF补偿

在这一点,传感器还应该保持在温度T2和压力PMIN。通过调整OFF DAC,完成T2或者T1的最终失调调整,如果需要,调整OFF DAC符号位,直到VOUT等于所需要的失调电压(在这一例子中是0.5V)。

现在完成了传感器补偿!

验证传感器补偿

把变送器置于各种温度和压力点下,来验证补偿效果,校验PGAOUT

实例

下面的数据展示了上面详细阐述的过程的效果。采用了100KPaG测量传感器(序列号:NPH-8-100GH),其输出补偿为PMIN = 0,PMAX = 100KPaG,T1 = -40°C和T2 = +125°C。目标输出电压为PGAOUT(PMIN) = 0.5V,PGAOUT(PMAX) = 4.5V。在补偿过程完成时,补偿后的变送器为T = -40°C,0°C,+25°C,+75°C和+125°C。两点温度补偿完全消除了传感器误差的线性部分。补偿后变送器的总误差和未补偿传感器误差的非线性分量大致相当。

表1列出了未补偿和补偿后变送器的测量输出和计算误差。未补偿传感器的误差有两种形式:总误差(TE)和非线性误差(NE)。TE由TC误差的线性和非线性组成(以25°C间隔为参考)。NE是总误差减去所计算误差的线性分量,误差是指和通过数据两个端点的直线的偏差(端点直线拟和)。表1中的数据在图1至图3中以曲线的形式表示。图1所示是未补偿传感器的总误差;图2是未补偿传感器误差的非线性分量;图3是变送器补偿后的总误差。数据表明两点补偿过程完全消除了传感器的线性分量,变送器补偿后的TE和未补偿传感器的非线性分量大致相当。

表1. 未补偿传感器和补偿后的变送器数据
Temp
(°C)
Uncompensated Sensor
(PMIN = 0; PMAX = 100KPaG; VB = 5V)
Compensated Transducer
(PMIN = 0; PMAX = 100KPaG; VDD = 5V)
Offset (mV) FSO (mV) Total Error
(% FSO, Referenced at +25°C)
Nonlinear Error
(% FSO, End-Point Fit)
Offset (V) FSO (V) Total Error
(% FSO, End-Point Fit)
Offset FSO Offset FSO Offset FSO
-40 -4.2 97.7 -5.3 9.9 0.0 0.0 0.496 4.006 -0.1 0.2
0 -1.0 89.3 -1.5 3.8 1.5 -1.8 0.553 3.933 1.3 -1.7
+25 0.3 84.8 0.0 0.0 1.6 -2.0 0.565 3.930 1.6 -1.8
+75 2.5 76.6 2.6 -7.1 1.3 -1.5 0.552 3.957 1.3 -1.1
+125 3.8 69.2 4.1 -14.3 0.0 0.0 0.500 4.001 0.0 0.0

在这个例子中,对极端温度点进行了补偿,对测量的数据进行了端点直线拟和,以便清楚地演示两点温度补偿的效果。极端温度点并不是传感器补偿最佳点,因为误差会偏向一侧(理论上,幅度加倍)。在应用中,需要凭经验选择最佳温度补偿点,这样,变送器误差均匀分布在0%误差线附近。一般情况下,满量程的25%和75% (中点)温度点将给出最佳误差分布。如果在这个例子中选择了最佳补偿温度点,那么,误差分布大约在表1所示误差一侧的±½ (以0%误差线为中心)。

图1. 未补偿传感器总误差—结合了一阶和二阶误差
图1. 未补偿传感器总误差—结合了一阶和二阶误差

图2. 未补偿传感器的二阶误差,是图1中数据端点直线的偏差。
图2. 未补偿传感器的二阶误差,是图1中数据端点直线的偏差。

图3. 变送器补偿后的误差。这是系数补偿后的总误差。两点温度补偿只能纠正误差的线性部分。
图3. 变送器补偿后的误差。这是系数补偿后的总误差。两点温度补偿只能纠正误差的线性部分。

结论

  1. 本应用笔记旨在作为一个实例来演示远端传感器补偿过程,介绍手动操作实现补偿的方法。MAX1452用户手册介绍了更适合自动补偿的其他方法,该手册包含在评估板软件工具中,可以从Maxim网站下载。

  2. 为充分发挥MAX1452的功能,需要进行两次补偿。第一次是确定OTC和FSOTC系数,以有效地校正TC误差的线性分量,如本文档所述。第二次是多点温度补偿,以正确的系数填充OFF和FSO查找表,抵消剩余的非线性TC误差。MAX1452用户手册介绍了多点温度补偿过程。

  3. 在生产环境中,能够以标称值装载OTC和FSOTC DAC,只进行一次多点温度补偿,以充分利用MAX1452的功能。之所以这样,是因为类似传感器的TC特性(例如,灵敏度和失调等)非常相似。在代表性的样片上进行两点补偿就可以确定标称OTC和FSOTC (以及PGAGAIN和IRO)值。

  4. 在本应用笔记中,MAX1452可以作为一种产品选择。但是,该过程也适用于MAX1455,因为这两种产品只有很小的差别。

参考

Maxim主页
MAX1452数据资料
MAX1452用户手册
MAX1452评估软件
NPH-8-100GH数据资料(在MAX1452用户手册的最后)。
下一步
EE-Mail 订阅EE-Mail,接收关于您感兴趣的新文档的自动通知。
© , Maxim Integrated Products, Inc.
The content on this webpage is protected by copyright laws of the United States and of foreign countries. For requests to copy this content, contact us.
APP 4067:
应用笔记 4067,AN4067, AN 4067, APP4067, Appnote4067, Appnote 4067