利用MAX1452实现远端传感器补偿

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和图1至图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：



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：
   
   
   
   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：
   
   B. T2处的FSO和FSOTC曲线/函数：
   
   C. 最终的FSO系数：
   
   D. 最终的FSOTC系数：
   
    
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：



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。

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。