一种阻性传感器调理及处理电路的研究*

惠晓强，李　昶，梁应剑，杨冠兰

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068；4.成都凯天电子股份有限公司，四川 成都610091)

一种阻性传感器调理及处理电路的研究*

惠晓强1，2，李昶3，梁应剑4，杨冠兰3

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068；4.成都凯天电子股份有限公司，四川 成都610091)

阻性传感器在军用及工业控制领域应用十分广泛。随着微电子技术的发展，阻性传感器调理电路从独立元器件搭建向着集成化和智能化方向快速发展。首先对国内阻性传感器常用处理方法进行对比分析，再对当前国外阻性传感器测量电路进行概述，最后介绍一种新型的国产阻性传感器调理芯片HKA2910，并总结出国产阻性传感器处理器芯片的研究对军用及工业领域的重大意义。

传感器；信号处理；HKA2910

0　引言

在机弹载设备和工业控制领域中，有大量的测量压力、温度、流量的阻性传感器，它们将压力、温度、流量等物理量转换为与之对应的电阻，测量设备或计算机通过测量电阻，即可计算推导出相对应的物理量。本文从阻性传感器的功能原理出发对常用阻性传感器处理电路进行对比分析，最后介绍一种新型的国产阻性传感器芯片HKA2910，归纳总结出国产阻性传感器的使用优势及国防意义。

1　阻性传感器处理电路实现的功能

一般阻性传感器处理电路主要实现以下功能：

(1)信号放大功能。传感器在测量数据时，根据电阻阻值变化获得的测量信号及其微弱，经过信号放大后才利于后端计算机采集。

(2)校准及补偿功能。传感器在采集数据时，会受外部环境变化的影响，所获得的测量信号会发生偏移，不能准确地表观测量数据的变化特性，通过校准和补偿功能可将外部环境带来的影响弱化，确保传感器测量数据的准确性。

(3)A/D转换采集功能。采集计算机通过 A/D对传感器测得的数据进行采集，A/D的转换速率和位数范围决定传感器测得的数据的精确性及实时性。

2　国内阻性传感器调理接口电路的原理及实现

阻性传感器的自动测量，从理论上说有恒流源测量法和惠斯通电桥法两种。下面分别对两种处理方法进行描述。

2.1恒流源测量法

恒流源测量法是通过在传感器中增加电阻的方式来实现。具体原理为：传感器中增加测量电阻，并在测量电阻两端加上恒定电流的激励，电阻两端会产生电压，该电压随着被测电阻的变化而变化。测量电压通过欧姆定律：R=U/I，可以计算出电阻 R的值，然后通过被测物理量与电阻R的对应关系进一步计算出被测物理量。其测试原理框图见图1。

图1　恒流源法测量电路原理框图

2.1.1恒流源产生电路

为了减小电流流过被测电阻产生的热量而导致被测电阻阻值的变化，设计时需要尽量减小流过电阻的恒定电流值，一般该电流值选取0.5 mA左右。恒流源的产生电路由精密参考源、运放和高精度电阻组成，其原理图见图2。

图2　恒流源产生电路原理图

其中，电阻R的阻值可调节输出恒流源的电流大小，输出电流 I0大小计算公式为：

式中：U为参考源的输出电压，R为调节电阻。

R的精度直接影响I0，进而影响电阻R的测量，因此，一般选择高精度的金属膜电阻。

2.1.2电压测量电路功能原理

计算机内的电压测量电路是整个测量系统的关键，在调理电路前要进行共模和差模滤波，减小系统中的高频干扰。为了增大测量电路的输入阻抗，减小测量电路对被测电路中电流的分流，输入放大器选用仪表运放进行电压放大，之后经过多路器选择，A/D转换器和数据隔离驱动连接计算机内部数据总线[4]。测量电路功能组成如图3所示。

恒流源法测量电阻的优点是恒流源激励电流产生简单，被测电阻值与采集的电压是线性关系；缺点是为了去除掉激励电流线缆上的阻抗，一般要用四线测量法，导致所用线缆较多，增加了系统的重量；同时激励电流又不能太小，否则会导致传感器自发热，增大误差。

图3　电压测量电路功能组成原理图

2.2惠斯通电桥法

惠斯通电桥法是一种经典的电阻调理方法[1]，其功能原理如图4所示。将被测电阻与其他辅助的三个已知阻值的固定电阻组成图4的电桥，给电桥的上下端加上恒定的电压源，测量中间两点的电压，可以计算推断被测电阻的阻值。

图4　惠斯通电桥法测量电路原理图

被测电阻与输出电压之间的关系为：

一般R值选取在R′常温时的值，因此可以取R′=R+ ΔR，当ΔR远远小于R时，得到：

由式(3)可知，在电压源U和辅助电阻 R固定的情况下，电桥中点电压Uo与传感器的电阻的变化量成正比，计算机测量 Uo，通过计算可得 ΔR，从而得到所测物理量的值。

惠斯通电桥可以很容易地对被测传感器进行测量。优点是电压源、桥臂上的电阻比较容易获取，精度也有保证，而且电压源、桥臂上的电阻可以和传感器分离放置在计算机内；缺点是整个电路的温漂比较大，影响系统精度。由于传感器一般放置在现场，环境往往比较恶劣，其温度可以从-50℃～70℃，被测传感器的电阻阻值不仅随被测物理量的变化而变，也会受到现场温度的影响，导致系统误差变大。因此，如何减小传感器的温漂成为提高系统精度的关键[2]。

解决温漂问题的方法是将整个电桥搭建在传感器内，然后在传感器内设置温度传感器，对电桥在每个温度点进行电压漂移标定，然后将标定值记录在存储器中，传感器在使用中，通过叠加校正电压，在电桥中点的输出电压中将漂移电压去掉，从而大大提高系统精度[4]。如果通过分立器件搭建电路，整个系统会比较复杂，成本比较高。

3　国外对阻性传感器调理接口电路的处理方式

目前，最新的阻性传感器调理接口电路处理方式是单片式集成电路[3]，MAXIM公司的MAX1452已经广泛应用于机载设备和工业控制领域。MAX1452具有放大、校准和温度补偿功能，其综合工作特性可以逼近传感器所固有的可重复能力。其全模拟信号通道在输出信号中不会引入量化噪声，并利用集成的16位数模转换器(DAC)实现数字化校正。利用 16位DAC对信号的偏移量和跨度校准，赋予了传感器产品真正的可互换性[5]。

4　基于HKA2901芯片的阻性传感器调理接口电路

近年来，随着集成电路设计技术的发展，国内的元器件研制单位也竞相研制此类复杂的传感器调理芯片，HKA2910芯片已经国产化，其功能类似于 MAX1452。下面以HKA2910为例介绍该类芯片。

4.1HKA2910芯片介绍

HKA2910是一种高度集成的模拟传感器信号处理器，芯片内集成有一个可编程传感器激励、一个16级可编程增益放大器(PGA)、一个内部Flash，4个 16位DAC、一个通用的运算放大器以及一个内嵌的温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，芯片还利用偏移量的温度系数(TC)和跨度温度系数(FSOTC)提供独特的温度补偿，在提供高度灵活性的同时降低了检测成本。HKA2910功能组成原理图见图5。

HKA2910是一种高度集成的模拟传感器信号处理器，其具有以下功能特性：

图5　HKA2910功能组成原理图

(1)具有放大、校准和温度补偿功能；

(2)适应于输出灵敏度从 1 mV/V～40 mV/V的传感器；

(3)16 bit的偏移量和跨度校准精度；

(4)内嵌查找表，支持多点校准的温度修正；

(5)支持电压桥和电流桥激励；

(6)150 μs快速阶跃响应；

(7)内嵌通用运算放大器；

(8)安全锁防止数据破坏。

4.2HKA2910应用及优势

HKA2910主要应用于压力传感器、变送器、应变仪、压力校准与控制器、阻性元件传感器、加湿计及湿度传感器等领域的信号调理。

HKA2910与阻性传感器结合，通过电桥形成一个能够对温漂进行补偿的高精度传感器，其精度可以达到0.2%，整个传感器只需要电源线、地线和信号输出三根线，内置HKA2910的传感器输出原理图见图6。新的传感器在出厂前通过专用软件进行标定校准，校准值储存在内置的Flash中，使用过程中。芯片自动工作，其输出电压值已经去除了温漂，直接用图3所示的采集电路进行采集即可。

图6　内置HKA2910的传感器输出原理图

在控制及监控领域使用HKA2910具有以下优势：

(1)自主国产化。自主的知识产权可保证产品生产中无器件断档禁运造成的生产终止风险。

(2)使用简单化。将之前由分立器件搭建的复杂电路高度集成，减小了板面积且大大降低了设计者的设计难度，也可促进产品小型化、集成化的发展。

(3)应用灵活化。HKA2910可根据产品不同的应用环境改变芯片内部的校准及补偿参数，推动了产品的通用化发展。

(4)易于集成化。封装小型化，便于与传感器集成后形成智能传感器，推动传感器的智能应用。

5　结束语

阻性传感器作为机弹载和工业控制领域最常用的一种传感器，其采集精度直接关系到系统的控制精度。因此，研究如何提高该类传感器的精度、降低误差和温漂是改善阻性传感器性能的重要方面。而国产HKA2910芯片集成此类的功能，能够大大降低传感器的温漂，改善传感器的性能。该芯片具有自主知识产权，对防务及工业控制领域起到极大的支撑作用。

[1]廖晓纬，韩江洪.采用示零法的单片机控制电桥测量系统[J]．中国仪器仪表，2014(12).

[2]洪木南，卢文雯，李建秋.恒温箱温度控制器设计[J].实验技术与管理，2010，1（27）：65-68.

[3]徐权奎，祝轲卿.电控柴油机转速传感器处理模块优化设计[J]．车用发动机，2006，3（163）：28-31.

[4]吴道悌，刘晓辉，郑明.非电量测试技术[M]．西安：西安交通大学出版社，2006.

[5]马明建.数据采集与处理技术[M]．西安：西安交通大学出版社，2005.

Research of a resistive sensor conditioning and processing circuit

Hui Xiaoqiang1，2，Li Chang3，Liang Yingjian4，Yang Guanlan3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China；4.Chengdu CAIC Electronics Co.，Ltd，Chengdu 610091，China)

Resistive sensor in military and industrial control field is widely used.With the development of microelectronics technology,resistive sensor conditioning circuitry also build towards an integrated and intelligent direction from the rapid development of independent components.This paper first to domestic resistive sensors commonly used treatment methods were analyzed,and then to the current foreign resistive sensors measurement circuit are summarized,and finally introduces a new type of domestic HKA2910 resistive sensor control chip,and sums up the domestic resesrch of resistive sensor processing chip of great significance in the field of military and industrial.

sensors；signal processing；HKA2910

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.002

航空科学基金（2015ZC51036）；中国航空工业集团公司创新基金(2010BD63111)

2016-03-08)

惠晓强（1978-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：航空集成电路需求和测试验证。

李昶（1987-），男，本科，助理工程师，主要研究方向：航空电子产品硬件设计及验证。

梁应剑（1963-），男，本科，研究员，主要研究方向：航空电子。

杨冠兰（1987-），女，本科，助理工程师，主要研究方向：数模混合集成电路物理设计。

中文引用格式：惠晓强，李昶，梁应剑，等.一种阻性传感器调理及处理电路的研究[J].电子技术应用，2016，42(5)：7-9，13.

英文引用格式：Hui Xiaoqiang，Li Chang，Liang Yingjian，et al.Research of a resistive sensor conditioning and processing circuit[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(5)：7-9，13.