上海芸生微电子有限公司

上海芸生微电子有限公司AnalogMicroelectronicsGmbH通讯地址:上海108－009信箱邮编：201108AnderFahrt13电话/传真:[phone]D–55124MainzTelefon:+49(0)6131/91073–01/4网址:www.analogmicro.deTelefax:+49(0)6131/91073–30www.sym-china.comInternet:www.analogmicro.deE–Mail:[e-mail]–Mail:[e-mail]1/8Mai2005编号PR1007:模拟一体化的传感器信号处理方法ModularSignalConditioning摘要本文介绍了一种数字电路和模拟电路组合的传感器信号处理方法，该方法大大降低了对传感器和变送电路的要求，降低了成本，简化了生产，有利于规模生产。本文所提供的框架集成电路概念对广大科研和生产人员具有启发性。关键词：框架集成电路、微处理器一、引言传感器信号的获得总是有误差的，但可以通过一个合适的方法将误差限制在所希望的误差范围内。目前通常采用的方法是：通过对传感器和集成电路本身对传感器信号进行一些电路方面的修正和补偿。在实际应用中，由于传感器和集成电路本身的设计和生产的局限性，导致其所能够达到的效果有限，并且对传感器和集成电路的要求较高，成本较大，而且在生产中需要反复调试，不适宜规模生产。借助于数字化的方法对传感器信号进行计算和修正，是目前较为先进的方法。本文介绍了一种数字电路和模拟电路组合的传感器信号处理方法。用这种方法可以使传感器信号得到校准和补偿，又大大地降低了对传感器和集成电路本身的要求，降低了成本，简化了生产过程，有利于规模生产。二、传感器信号处理的方法*框架集成电路是一种专门处理传感器信号的并带有输入、输出及一些外围功能的集成电路，而这些功能把用于数字化修正的微处理器等部分围成了一个框架（见图1）。框架集成电路的想法是基于数字电路和模拟电路组合，从而在应用上更简化、上海芸生微电子有限公司AnalogMicroelectronicsGmbH2/8Mai2005编号PR1007:模拟一体化的传感器信号处理方法ModularSignalConditioning至今已有许多不同的方法，对传感器信号进行处理修正，如：激光修正电路偏差、恒流源温度补偿、或用二极管和三极管等进行温度补偿。近几年由于数字化电路的广泛应用，提出了新的传感器信号修正方法，即利用二个集成电路芯片的方法，也有提出一个集成电路的方法。利用这种方法对传感器信号进行电路或者数字化修正，它可以将带有误差的传感器信号进行校准、补偿和线性化。但目前所能见到的该类集成电路由于存在着一些专业上的问题，而没有被大量采用。主要原因无非是过大的芯片面积使集成电路很贵，要么所编程序无法简化适应生产，要么过于复杂的外围电路，使生产商无法生产。德国AMG公司（全称AnalogMicroelectronicsGmbH）现在提出了一条既简便又经济的方法，该方法已被证实是一种行之有效的方法，而且适宜于规模化的生产。这里将总结采用框架集成电路（Frame-ASICs）对传感器信号进行模数一体化处理的方法。本文中专用名词解释校准：绝对测量值的校准，比如：零点和满度值。补偿:修正由于干扰因素引起的偏差，如：温度。图1:框架集成电路方案上海芸生微电子有限公司AnalogMicroelectronicsGmbH3/8Mai2005编号PR1007:模拟一体化的传感器信号处理方法ModularSignalConditioning模数一体化的传感器信号处理方案：考虑到传感器信号的前级（一次仪表）必须始终满足相同的边界条件，而后级的信号输出要标准化，这就可以用反馈的电路结构形式来实现整个前后级电路信号的处理。这将大大减少电路的组成单元，有利于电路更便宜的集成化。同时考虑到对精度、温度范围、误差范围和传感器的匹配等要求是与应用范围和所使用的传感器一样是各种各样的，这就要求尽可能考虑到相应的数字修正功能部分和元器件部分有一个较大的可适用性。但这些至少对电路的集成化有经济成本上的压力。如果考虑到不同的误差修正要求来研究市场上的各种微处理器，并考虑到市场对于高性能、低成本的要求，那么这个模数一体化信号处理方法又将是未来传感器领域中信号处理的主要选择。答案:要选择一个合适的集成电路，它既具有模拟信号的输入（前置放大器）和一个可标准化输出的输出级（比如：4－20mA），又有一些外围的功能，如：温度控制、参考电压源、电路保护功能，用于传感器的激励电流源，又要它价格合适，那么就只有框架集成电路。同时要采用一个合适的标准微处理器，那么整个模数一体化的传感器信号处理方案就基本完成了。三、数字化修正的基本条件要达到通常所说的信号数字化修正要注意二个基本条件：1.能够用微处理器直接或间接地对传感器信号进行修正，对此AMG公司的框架集成电路原则上可提供二个可能性：a)间接的修正：首先在测量电路某个部分（如：放大器）有一个接入点，通过它能够改变零点或满度值。在这里模拟信号的途径不被分离，也不受A/D和D/A转换的影响。这种框架集成电上海芸生微电子有限公司AnalogMicroelectronicsGmbH4/8Mai2005编号PR1007:模拟一体化的传感器信号处理方法ModularSignalConditioning路和微处理器的组合系统被称为模拟的“传感器－信号－微处理器”系统。因为处理的传感器信号途径没有分离，也就是说信号是被间接修正的。（见图2）b)直接的修正：一个带有A/D和D/A转换的微处理器接在模拟信号的前置放大器和后级输出端之间。这种信号处理方式是全面性的，它可以有更大的自由度来对所有的信号进行处理。它的误差、分辨率和被修正的程度都取决于数字电路。这种框架集成电路和带有A/D和D/A转换的微处理器的组合系统被称为数字的“传感器－信号－微处理器”系统。2.有效进行修正的第二个条件是不对传感器和电路某个部分进行单个修正，而是将传感器及变送电路作为整个系统在输出端对输出值进行修正。在传统的单一部分的修正方法最终导致的是所有单一部分的误差之和为总的误差（如：传感器误差、测量电路误差等等）。与此相反，模数一体化的修正方法是总的系统的修正，它的误差也是最终的总的误差。这显然是一个更为精确的修正方法。对总的误差的修正也特别适用于规模生产，它不再需要考虑生产过程中各单元的调试和元器件的离散性，只要对完成的产品进行一次性的校准就可以了。图2:模拟的“传感器－信号－微处理器”系统的原理图上海芸生微电子有限公司AnalogMicroelectronicsGmbH5/8Mai2005编号PR1007:模拟一体化的传感器信号处理方法ModularSignalConditioning微处理器：如果传感器信号的修正只限制于零点和满度的修正及整个工作温度范围内的补偿，并只要求一个模拟量的输出，根据模数一体化的信号处理方法，只需要一个简单的8－bit的Risc微处理器和一个框架集成电路。在这种情况下，框架集成电路与微处理器的组合满足模拟的“传感器－信号－微处理器”系统的方法要求。（见图2）如果同时还要求线性化和更高的精度（比如：在总的使用温度范围内达到0.5%总误差），就需要一个更复杂的微处理器，它可以实现特殊的计算方法，这种组合属于数字的“传感器－信号－微处理器”系统的方法。（见图3）通过使用框架集成电路和微处理器的组合电路，可使成本大为降低（对传感器和集成电路要求大为降低），生产大为简化。这就意味者一个带有标准输出（模拟或数字信号）的具有电路保护功能的数字化信号处理的传感变送器诞生了。模数一体化的信号处理方法在其他地方也可以找到理想的应用，比如在某个系统里需要安装一个传感器而同时已有一个微处理器存在了。图3:数字的“传感器－信号－微处理器”系统的原理图上海芸生微电子有限公司AnalogMicroelectronicsGmbH6/8Mai2005编号PR1007:模拟一体化的传感器信号处理方法ModularSignalConditioning图4:不同的框架集成电路已有的框架集成电路：针对模数一体化的信号处理方法，AMG公司设计开发生产了一系列的框架集成电路（见图4），简介如下：AM400⇒差分信号输入和标准电压电流二路输出。AM401/AM411⇒差分信号输入和标准电压输出。AM402/AM442⇒差分信号输入标准电流输出。CAN404⇒电容信号输入和Namur标准输出。CAV414⇒电容信号输入和标准电压输出。上海芸生微电子有限公司AnalogMicroelectronicsGmbH7/8Mai2005编号PR1007:模拟一体化的传感器信号处理方法ModularSignalConditioning图5:AM400＋微处理器＝模拟的“传感器－信号－微处理器”系统图6：AM400＋微处理器＝数字的“传感器－信号－微处理器”系统（用于更高的精度，同时带有数字和模拟量输出）上海芸生微电子有限公司AnalogMicroelectronicsGmbH8/8Mai2005编号PR1007:模拟一体化的传感器信号处理方法ModularSignalConditioning四.实际应用例子这里将AM400作为模数一体化信号处理的框架集成电路来进行具体介绍。对一个模拟的“传感器－信号－微处理器”的方法，即将AM400与一个微处理器相连，它对模拟信号处理的途径是间接影响的。从图5可看出整个传感器变送系统的修正（零点及零点温度漂移）和满度及满度温度漂移是通过调整框架集成电路的恒压/恒流源和可调的前置放大器来实现的。具体修正方法是根据储存在微处理器中Look－Up表中的值来进行修正的。当然不同的微处理器有各自不同的方法。对一个数字的“传感器－信号－微处理器”的方法，即AM400的模拟信号处理途径是分离的（即前置放大单元后面，在模拟输出级前面）。在前置放大单元的输出端有一个最大输出限制值，它起到输出保护功能。微处理器通过一个A/D转换电路接受控制和调整信号，并根据具体需要对信号进行加工处理，然后再进行补偿或可能的线性化，再通过D/A转换电路和模拟输出级重新转换成所希望的工业标准输出。传感器的激励电源、输入输出的保护功能，以及电压、电流输出的范围调整都是通过框架集成电路AM400来完成的，这样大大减少了分立元件的数量，简化了生产，降低了成本（见图6）。该组合方案对于使用者有较大的自由度，可以针对不同的信号修正要求和附加功能选择标准的微处理器，也可以利用本身就有的本系统的微处理器。德国AMG公司正在不断开发新的框架集成电路的，最新的框架集成电路是AM400。为适应不同客户的特殊需要。AMG公司可以为专业客户开发总的模数一体化信号处理系统。更为详细的资料和应用可以在AMG公司的网站中查阅。网址为：www.analogmicro.de上海芸生微电子有限公司作为德国AMG公司在中国的窗口，将竭诚为中国客户提供最新、最好的产品和技术服务。网址为：www.sym-china.com