基于信号调理芯片实现桥式传感器高精度校准

摘要：压力传感器是现实生活中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业控制，汽车电子，医疗设备，本文主要针对应变电阻惠斯通电桥式传感器的生产标定做出简要说明，以供压力传感器工程人员参考。限于编者水平有限，望读者对文中不妥和错误之处给予批评指正。

传感器特性

图1为直流电桥，当前输出电阻无限大时，则前桥的输出可简化如下：

图2(左)为xxx型压力传感器输出特性曲线。分别为在-40°，0°，25°以及85°温度环境中测试电桥在不同压力下输出。实际应用中我们往往期望传感器输出与温度无关且线性，如图2(右)。受限于MEMS设计制作工艺、材料物理特性等，MEMS传感器本身很难达到理想要求，实际应用中往往需在MEMS后端加入信号调理芯片对其进行校准。

由图2可看出传感器输出不理想因素主要有：零点漂移(offset)，灵敏度(Sensitivity)，以及其非线性(Nonlinearity)。其中零点漂移(offset)和灵敏度(Sensitivity)均受温度影响，即体现为温度系数。可分别由如下公式表示：

公式1为理想传感器输出特性，而实际传感器特性则需借助于公式2，3，4分别对非线性(Nonlinearity)，零点漂移(offset)，灵敏度漂移(Sensitivity)进行描述。

符号说明：

Vout:引入温漂、非线性后的传感器输出

V0：非线性拟合多项式展开基准点

kn：n阶非线性系数

Tstand：多项式拟合温度基准点

tcn：零点漂移(offset)n阶温度系数

tsn：灵敏度(Sensitivity)n阶温度系数

信号调理芯片介绍

传感器信号调理芯片通常可以提供对前端传感器采集数据进行放大、校准和温度补偿的功能，从而使得传感器器件具有稳定可靠进行工作，并且使得器件之间具有良好的一致性。除使用集成式的信号调理芯片外，传统方案也可以使用外围分立电路来实现传感器的校准与标定，但效率低下，且效果依赖于人工与经验，不适于规模生产。而通过信号调理芯片的使用，能够免除手工校准的繁杂工作，并且提高传感器器件的可靠性。常见的桥式信号调理芯片型号包括德国ZMDI公司的ZSC31010，美国美信公司的MAX1452，以及苏州纳芯微电子公司的NSA2300。接下来本文将以NSA2300为例介绍信号调理芯片对传感器进行校准的相关说明。NSA2300为一款专为桥式传感器提供的高集成、低功耗、高精度的传感器信号采集、放大和校准的传感器接口芯片，可以用于压力传感器调理，磁传感器调理，各类应变式传感器接口等。NSA2300可为传感器提供零点偏移及其温度补偿，灵敏度及其温度补偿以及非线性补偿，不需要其他额外的外部器件支持。NSA2300还提供多种温度测量模式，同时支持I2C/SPI数字输出和模拟输出，并可通过复用模拟输出引脚(AOUT)进行单线数字通讯(OWI)。

主要性能指标：

1、超宽的工作电压范围：1.8V ~ 5.5V

2、超宽的工作温度范围: -40 ℃~ 125 ℃

3、同时支持24位ADC数字输出和12位DAC模拟输出

4、优秀的噪声性能：600nV@OSR =1024X, Gain=32X (等效到输入噪声)

5、校准精度：0.05%FSO (同时支持二阶温度系数、三阶非线性校准)

6、超快转换时2ms@OSR =1024X

7、支持休眠工作模式，大幅减轻MCU负担

8、1X-128X可变增益的低噪声放大器

9、支持传感器诊断及输出箝位功能

10、高精度内部温度传感器(绝对精度0.5℃，分辨率0.01 ℃)

11、支持多种外部温度传感器(二极管，二端、三端热敏电阻等)

12、支持I2C/SPI串行通信接口

13、支持单线编程(复用模拟输出引脚)

图3NSA2300系统框图

NSA2300校准原理：

NSA2300可分别对零点漂移(offset)，灵敏度(Sensitivity)校准至二阶温度系数，以及三阶非线性系数。