HKA2910传感器信号调理芯片设计*

田　泽，郎　静，杨　杰，余立宁

(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)

HKA2910传感器信号调理芯片设计*

田泽1，2，郎静3，杨杰4，余立宁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)

阻性传感器固有的输出信号非线性和温度漂移的问题，使其在构建精密传感系统时影响系统的测量精度。通常情况采取板级补偿的方法，该方法占用板面积大、功耗大和质量大。通过研究阻性传感器的温度漂移产生原理和补偿方法，采用集成电路技术，单芯片实现了一种高精度传感器信号调理，内置高精度补偿算法，并开发了校准软件。对基于信号调理芯片构建的单片传感器信号调理补偿系统进行系统测试，测试结果表明，在-55℃～150℃的温度范围内输出的信号呈良好的线性关系，误差小于0.2%，满足系统的测量精度需求。该芯片设计满足工程小型化、低功耗、高精度的要求，为信号调理补偿提供了新的技术手段。

阻性传感器；信号调理芯片；温度补偿

0　引言

阻性传感器具有灵敏度高、稳定性好、频率响应范围宽、易于小型化、便于批量生产与使用方便等特点，是一种发展迅速、应用广泛的新型传感器，多用于航空恶劣环境中进行飞行气动参数、液压、油压等系统测量。但是由于传感器材料的温度特性，压阻传感器在不同温度下使用时会发生温度漂移，且存在非线性输出的问题，在很大程度上影响了压阻传感器的测量精度[1-2]。

针对传统阻性传感器补偿方法[3-6]存在的不足，本文提出了一种新型单芯片智能化的补偿思路和方案，该方法利用集成电路技术，将温度传感器、16位∑-Δ型D/A转换器和可编程增益放大等复杂电路集成于单颗芯片。以此芯片构建的传感器系统，通过补偿校准和拟合算法确定工作温度范围内的所有温度补偿参数，实现了对压阻传感器温度漂移的高精度补偿，满足了航空电子传感器系统高集成度、低功耗、小型化、高精度的发展需求。

1　芯片设计

HKA2910结构包含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 768字节(6144位)内部FLASH，四个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，原理结构如图1所示。下面就温度传感器设计、16位∑-△型D/A转换电路和 16级可编程增益放大器做详细说明。

图1　芯片结构原理图

1.1宽温范围CMOS温度传感器电路

集成温度传感器主要由温度检测电路和模数转换器等电路构成，如图2所示。温度检测电路是检测芯片内部温度并产生一个与温度成比例的电压值，该电压值被送入模数转换器中，经过模数转换器的处理，输出与温度相关的数字信号。

图2　集成温度传感器原理图

该电路采用模数转换器对宽温范围(-70℃～185℃)的电压信号进行加权计算，将两种不同温度特性和参数的输入电压转换成与温度一一对应的数字信号。利用CMOS的宽温度特性和电路加权处理得到稳定的温度解析度，将感温元件和先进计算电路集成在同一芯片上，仅需较小的面积和功耗，就能达到稳定温度精度输出的目的。电路结构简单，温度范围广且精度高。

1.216位∑-Δ型D/A转换电路

∑-△型D/A转换技术是通过采用通信中的∑-△调制器来达到在数字域进行高精度的信号处理，在模拟域进行低精度信号处理，从而获得整体性能优越且易于集成的一种新型D/A转换技术。由于这种D/A结构的模拟电路相对传统数据转换器而言比较简单，迎合了VLSI技术的特点，故其应用领域迅速扩大。除了作为获得高精度 D/A转换器的主要手段外，它也作为重要的接口技术在许多集成电子系统中得到运用。

芯片集成了4个16位∑-△型D/A转换电路，目的是将数字补偿量转换为模拟量，主要由插值滤波器、Σ-△调制器、低位D/A转换器和模拟低通滤波器四部分组成。其原理框图如图3所示。

图3　∑-△DAC原理框图

1.3可编程增益放大器

PGA（Programmable Gain Amplifier）主要实现传感器输出INP和INM的差分信号可编程增益放大功能，并完成输出信号的偏移量补偿。

PGA原理结构如图4所示。电路采用全差分对称开关电容电路结构，用于消除偶次谐波失真，降低通路的噪声。可编程增益放大和电路主要由三部分组成，分别是固定增益开关电容放大器、实现偏移量补偿的编程增益放大器和双端至单端转换电路。第一级实现固定增益放大和OFFSET的粗调IRO，其中IRO采用简单的3 bit DAC实现偏移量的补偿。第二级采用可编程增益放大，通过调节输入电容的大小达到增益的调节，并实现OFFSET和OFFSET TC的偏移量补偿。第三级实现双端到单端的转换，输出运放采用了轨对轨的输出结构，提高了PGA的输出摆幅。

1.4物理设计

物理设计在选定工艺的基础上，遵循工艺设计原则，按照系统架构进行布局，依据仿真结果对版图进行优化调整，使用数模混合工具进行整体芯片的全温范围下性能验证，同时进行了可靠性验证。

各电路模块的摆放考虑到信号的传输路径、模拟电路和数字电路隔离等一系列要求。版图分为模拟和数字两个部分，数字部分及IP Core放置于版图下端，模拟部分放置于版图上端，中间加有相应的隔离。PGA模块置于模拟部分的中心，三级通路按照信号流向放置，ADC、DAC、CLK等模块则根据信号流向、信号线的长度及输出端口定义的位置等要求作了最佳选择的放置。模块间采用了双层ring隔离。管芯尺寸2mm×2mm，整体芯片物理设计如图5所示。

图4　PGA结构框图

图5　传感器信号调理芯片版图

2　芯片测试

利用HKA2910芯片对一款压力传感器进行补偿校准，测试校准平台如图6所示，包括电源、试验温箱、压力装置和测试板卡。原始压力传感器的偏移量和满量程在整个温度范围内的特性曲线如图7所示，其中输出电压量程仅有30 mV，偏移量和满量程的温度漂移最大超过30%。

图6　芯片及系统测试平台

图7　原始传感器特性曲线

在-60℃、-25℃、20℃、70℃和 150℃对压力传感器进行补偿，补偿数据如表1所示。全温度范围的补偿数据在测得的5个温度点补偿数据的基础上由软件算法得出，并将这些补偿数据写入芯片内置Flash。校准后传感器在-55℃～150℃温度范围内的测量精度达到0.2%。

表1　测试校准部分数据

补偿后传感器的偏移量和满量程在整个温度范围内的特性曲线如图8所示，经过补偿后传感器的精度极大提高，偏移量和满量程在-55℃～150℃温度范围内提升到了0.2%以内，最终传感器在压力范围内输出电压为0.5 V～4.5 V，且线性度良好。

图8　补偿后传感器特性曲线

与同类传感器调理芯片 ZSC31050参数对比如表 2所示。

本文设计的高精度传感器信号调理芯片采用智能化的温度补偿系统结构，在-55℃～150℃温度范围内补偿精度可达到0.2%，单芯片实现高精度补偿，提高了军用电子传感器系统的精度与可靠性。该芯片不仅在航空航天领域应用广泛，也可推广至汽车电子、工业控制测量、家电（电压力锅）和消费类电子等领域。

表2　同类芯片对比

[1]薛军，纪敦，李猛，等．飞机结构应变信号的采集与预处理.系统数据采集与处理[J]．数据采集与处理，2009，24 (4)：315-3l7．

[2]周鸣争，楚宁，周涛，等.一种基于能量约束的传感器网络动态数据融合算法[J].仪器仪表学报，2007(3)：172-175.

[3]刘慧，唐胜武，简荣坤.基于软件补偿算法的温度压力场测试系统设计[J].仪表技术，2011（6）：39-45.

[4]张有凤，王钦若，张慧.基于压力检测的高精度数据采集系统[J].陕西理工学院学报(自然科学版)，2006(4)：55-58. [5]凌振宝，王军，张瑞鹏.基于非晶态合金感应式传感器补偿电路的设计[J].传感技术学报，2003（6）：208-212.

[6]朱旭，张世中，胡哲.感应式磁传感器的补偿电路[J].物探与化探，2012(12)：970-974.

余立宁（1985），男，硕士，主要研究方向：高速总线设计。

Design of HKA2910 sensor signal conditioner and compensation system with a single chip

Tian Ze1，2，Liang Jing3，Yang Jie4，Yu Lining3
(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)

The intrinsic of non-linearity output and temperature drift for resistance sensor has a strong impact to the entire system accuracy and seriously limited its application.Due to the disadvantages of area,power and weight of conventional solution.Base on the compensation research of the resistance sensor,a sensor signal conditioner chip has been designed and implemented and further more the compensation algorithm has been investigated and finally integrated into the user software.The measurement shows that，a good linearity performance of output versus the measured pleasure was observed at temperature range from-55℃～150℃, the total error is less than 0.2%.This new efficient way by design and implementation of sensor signal conditioner chip has been realized which make the sensor system more impact and more accurate.

resistance sensors；signal conditioner；temperature compensation

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.003

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）

田泽（1965-），男，博士，研究员，主要研究方向：集成电路设计、嵌入式系统开发。

郎静（1980-），女，硕士，工程师，主要研究方向：模拟集成电路设计。

杨杰（1965-），男，本科，研究员，主要研究方向：航空电子-大气数据探测。

中文引用格式：田泽，郎静，杨杰，等.HKA2910传感器信号调理芯片设计[J].电子技术应用，2016，42(5)：10-13.

英文引用格式：Tian Ze，Liang Jing，Yang Jie，et al.Design of HKA2910 sensor signal conditioner and compensation system with a single chip[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：10-13.