基于PGA309的信号调理系统的设计

王永清，饶和昌

（华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

在工业和医疗领域，压力传感器在状态监测中有着广泛地应用。精确的传感器信号能够很好的还原被测量的状态，以利于人们做出正确可靠的决策。由于材料及加工工艺的限制，传感器直接输出的信号不可避免地存在非线性、零点温度漂移、灵敏度温度漂移等问题。为此，在实际使用过程中需要对这些不确定因素进行补偿，以获得满足使用要求的信号。针对桥式压力传感器，选用TI公司的PGA309信号调理芯片进行外围硬件电路和软件算法的设计，以补偿传感器非线性输出及温度漂移等问题。

1 桥式压力传感器

这里考虑的调理对象是一种硅压阻式压力传感器，采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥，作为力电变换的测量电路，结构原理如图 1所示。R1～R4为应变电阻，VEXC为电桥激励电压，Uo为电桥输出电压。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。

根据电桥的基本特性，当外界压力使R1～R4的电阻发生改变时，Uo的值也会相应地发生改变，Uo值的大小反应了施加于传感器上的外部压力的大小。为了提高传感器的灵敏度，在电桥设计时，把一对阻值增大的电阻相对排布（R2、R3），另一对阻值减小的电阻相对排布（R1、R4），如此，电桥的输出为：

图1 压阻式传感器原理图Fig.1 Diagram of piezoresistive pressure sensor

简化后为：

ΔRT是指由于温度的改变而引起的电阻变化。为简化分析，认为4个扩散电阻起始阻值都相等并为R。式（2）说明，电桥输出Uo一方面与ΔR/R成正比，另一方面又正比于供电电压VEXC，即电桥的输出电压除了与被测量成正比外，同时与电桥输入电压VEXC的大小和精度有关[1]。此外，由于半导体的温度特性，当温度变化时桥臂阻值也会发生相应的改变，因此输出电压Uo还与温度有关。所以，在实际使用过程中，为了使得输出信号尽可能反应真实的压力信息，需要克服桥式压力传感器非线性及温度漂移的缺点。针对这些问题，设计一种基于PGA309的信号调理电路来对这种桥式压力传感器进行标定和校正。

2 PGA309的功能模块

PGA309是TI公司的一款可编程的数字化信号调理芯片，主要用于桥式压力传感器，将微弱的传感器信号进行放大输出。它的内部功能框图如图 2所示[2]：

PGA309共有三级信号放大电路[3]：前置放大器G1用于对输入微弱传感器进行放大和噪声抑制，因此其增益范围最大为4～128，后级放大器G3用于驱动输出增益调节范围为2～9，前置放大器G1和后级放大器G3的增益为固定的几个数值，通过PGA309内部寄存器进行配置，为了获得期望的指定增益倍数，中间级G2通过一个16位的DAC可以实现对增益的精细调节，其调节范围为0.333 3～1倍。通过三级放大调节，PGA309的最大增益可达到1 152。考虑到传感器的零点漂移，PGA309还内置了零点漂移校正功能，可以在两处进行调节：粗调在前置放大级G1以前，精调在前置放大级G1之后精细调节G2之前。通过这两次调节完成对零点漂移的补偿。

图2 PGA309内部功能模块Fig.2 Internal functional modules of PGA309

PGA309内部功能模块工作时需要一个稳定的参考电压，既可以选择芯片内部的参考电压也可以选择外部参考电压。为了尽可能地简化硬件电路，本设计选用内部参考电压VREF（2.5 V或者4.096 V）作为各功能模块的电压基准。电桥激励电压的选择同样有两种方式，可外接独立的恒压源对其供电，或者使用PGA309提供的VEXC作为激励电压，若要使用PGA309内部的线性化功能模块则必须以VEXC的作为激励源。线性化电路通过引入输出电压反馈，动态的改变VEXC的大小以达到线性校正的目的。引脚VIN1和VIN2接电桥的输出端。

PGA309有两种数字接口，一种为单线制UART的编程口（PRG），主要用于对PGA309内部寄存器进行配置，波特率为 4.8～38.4 kb/s；另外一种为两线制（SDA&SCL）I2C 接口，该接口主要用于对外部EEPROM进行存取访问，EEPROM存放PGA309的配置信息及温度补偿系数表。PGA309有9个内部寄存器，用于对其各功能模块进行配置及状态的监测。上电后，PGA从EEPROM读取配置信息，之后进行一次温度转换，根据转换的温度值检索事先标定好的温度补偿系数表，查询当前温度下的增益精调和零点精调值，这样便完成了一次输入电压的放大，此后的每一次信号的放大都是从温度采样开始。

综上所述，PGA309的主要功能除了进行信号增益放大，还可实现对信号的非线性及温度漂移进行补偿。

3 系统硬件设计

3.1 PGA309与EEPROM的接口电路

EEPROM用于存储PGA309寄存器的配置信息和温度补偿系数表，至少需要8 kbit的存储空间[3]。设计中选用较为常见的24LC16B，这是一个16 kbit的EEPROM，拥有一个两线制的串行通信接口用于与PGA309通信，如图 3所示[4]。

图3 EEPROM与PGA309的接口电路Fig.3 Interface circuit of EEPROM and PGA309

3.2 PGA309的串行通信接口电路

对传感器进行标定时需要建立计算机与PGA309的通信。PGA309与计算机的通信有两种接口模式：单线制PRG口和两线制I2C接口。由于与外部EEPROM的通信需要用到I2C接口，为了避免总线冲突，设计中采用单线制接口实现与计算机的通信。由于PGA309的编程口为单线制，而计算机上的RS232接口发送与接收为单独的两路信号，所以这里需要一个单线转双线的通信接口。如图4所示，74HC04为六反向器用于驱动和隔离收发信号，实现单线制与双线制的通信[5]。

图4 PGA309与RS232的接口电路Fig.4 Interface circuit of PGA309 and RS232

3.3 温度接口电路

PGA309的温度测量即可以利用内部的温度传感器获取，也可以利用外接的测温元件。采用内部传感器进行温度测量时，将TEMP引脚接地。选用外部传感器测温时，TEMP脚接至RTEMP与电桥的连接点处或直接通过串接一个二极管进行温度测量。

实现温度测量后，利用温度值进行查表，得到预先标定好的分段温度补偿系数值，用于配置该温度下零位DAC和增益DAC的大小，从而实现对传感器温度漂移的补偿。

4 系统软件设计

一个典型的压力传感器测试系统其误差来源主要包括传感器零点和灵敏度的漂移、激励引起的传感器非线性输出以及调理电路附加的干扰[3]。其中传感器自身零点和灵敏度随温度的漂移及输出非线性对整个测试系统的测量精度影响最大，如不进行相应的补偿与处理将无法满足使用要求。对上述两大误差源PGA309通过温度补偿系数表及线性化电路对传感器端输出信号进行了有效的补偿与调理。

PGA309软件设计的最终目的是为了生成温度补偿系数表以及合理的内部寄存器配置字。为了尽可能地满足不同传感器测量范围，对PGA309增益的分配及零位的调节应遵守几点原则[3]。

1）尽可能使得增益精调的值接近于中间值（0.667）。

2）尽可能大的选取前端增益值以提高信噪比。

3）通过选取合适的零位粗调值使得零位精调的值尽可能接近中间值。

4）零位粗调功能会引入额外的噪声，在调节范围满足使用要求，同时希望噪声最小的情况下，尽可能的将零位粗调的值设为最小，以最大限度的限制噪声。

4.1 传感器数学参考模型

对于大多数桥式压力传感器而言，输入压力与输出信号并不是简单的线性关系。温度的变化会影响传感器的零点和满量程点，在温度不变的情况下激励压力也会导致明显的非线性输出。文献[6]中提出了一种传感器的数学模型，如式（3）所示。

该数学参考模型的计算值与实际测量值基本一致，因此基于该参考模型设计的补偿算法同样适用于实际的传感器。由参考模型数学表达式可知，为了解算出模型中的参量n0～n6至少需要7组不同温度压力下的实验数据。结合实际使用需要，按表1测量7组传感器数据[6]。

表1 标定数据记录表Tab.1 Table of calibration data

测量所得的数据还需要结合PGA309具体的配置反解出电桥端的输出值 Kbridge（P，T）。

4.2 线性化校正算法

对桥式压力传感器非线性部分的补偿，是通过PGA309线性化模块实现的[3]。PGA309线性化模块仅实现对压力引起的非线性进行补偿，对温度引起的非线性误差不予考虑。PGA309线性化模块通过引入一定比例的输出电压，动态地改变电桥激励电压的大小，从而使得输出电压尽可能与理想线性曲线相吻合。

式中KLIN为线性化系数，对于选定了参考电压范围的系统，KLIN值的取值大小直接影响电桥的激励电压VEXC。结合传感器数学参考模型可知，对于桥式压力传感器其非线性最大处位于50%满量程输入压力附近。为此，PGA309线性化模块的最佳工作点，应该配置在使得输入压力为满量程一半时的输出值与理想输出值相等，即使得50%压力处的输出非线性误差趋于零。

式中BV为中间点的误差值，通过测量输入分别为0、50%、100%时的电桥输出可以求得，进而代入式（7）解得线性化系数KLIN。

4.3 温度漂移补偿算法

PGA309线性化模块仅消除了激励引起非线性误差，为此还需要对温度漂移误差进行补偿。PGA309在每次信号放大前都先进行温度采样，根据事先建立的温度补偿表，按照一定的检索算法查询与该温度匹配的零点和增益精调DAC值，从而使得在不同温度下PGA309输出依然满足期望的输出范围。温度补偿算法的核心是建立温度补偿系数检索表，为此，首先要建立每个传感器对应的温漂曲线。根据传感器的数学参考模型，当输入压力P=Pmin时，此时对应电桥的零点漂移曲线，式（8）；当P=Pmax时，对应电桥的灵敏度漂移曲线，式（9）。

由式（8）、（9）及期望的输出范围即可解算出所需工作温度范围内Zero DAC和Gain DAC的值，进而采用线性插值算法建立17个温度点的补偿系数表[6]。

通过以上几步的算法的设计可以大大提高整个测量系统的精度，具体算法流程如图5所示：

5 结束语

由于材料和制造工艺的限制，传感器普遍存在着非线性及温度漂移等问题。本文通过分析桥式压力传感器的原理及产生误差的原因，设计一种基于PGA309的信号调理电路，详细分析了电路的各功能模块。针对桥式压力传感器进行数学建模，根据该理论模型介绍了一种软件补偿算法，并给出了软件补偿算法流程，从而实现对传感器的非线性及温度漂移进行有效补偿。

图5 PGA309算法流程图Fig.5 Flow chart of PGA309 algorithm

[1]孙以材.压力传感器的设计制造与应用[M].北京：冶金工业出版社，2000.

[2]Texas Instruments Inc.PGA309 product datasheet[S].USA:Texas Instruments Inc，2003.

[3]Texas instruments Inc.PGA309 User’s Guide[S].USA:Texas Instruments Inc，2005.

[4]龚绿绿.基于PGA309实现的高精度压力变送器[D].沈阳：沈阳工业大学，2007.

[5]Joshi H P， Burlacu B， Prabhu M M.Wireless structural health monitoring system design， implementation and validation[R].USA NC State University，2005.

[6]Artkay， Ivanov M， Schffer V.A practical technique for minimizing the number of measurements in sensor signal conditioningcalibration[R].Texas Instruments Inc，2005.