任線妮　趙宏江

摘 要 本文主要對單片集成壓力傳感器信號的收集和處理進(jìn)行研究，提出了一個(gè)更加高效的運(yùn)算放大電路。電路采用兩級放大，具有對稱的輸入結(jié)構(gòu)和全擺幅輸出結(jié)構(gòu)。利用此電路可以構(gòu)成儀表放大器，從而進(jìn)一步設(shè)計(jì)出集成壓力傳感器。

關(guān)鍵詞 單片集成 壓力傳感器 信號處理

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0前言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器技術(shù)也逐漸應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，從汽車電子到醫(yī)療設(shè)備，傳感器技術(shù)隨處可見。因此，提高傳感器和檢測電路的整體性能是非常有必要的。集成單片硅傳感器，有效地將傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件，既減少了成本，又提高了可靠性。

1電路硬件設(shè)計(jì)

壓力傳感器混合信號調(diào)理電路包括模擬部分和數(shù)宇部分。模擬電路包含：恒流源電路、放大電路和濾波電路。其中，恒流源電路為壓力傳感器供電；放大電路對傳感器的輸出信號進(jìn)行放大并歸一化；濾波電路抑制放大輸出信號中的干擾。數(shù)宇電路包括開關(guān)量控制電路和RS232通信電路，RS232通信電路主要用于下位機(jī)與上位機(jī)的通信?；旌闲盘栒{(diào)理電路整體框圖如圖1所示。

1.1恒流源電路設(shè)計(jì)

用恒流源供電時(shí)，由于采用的傳感器具有靈敏度溫度自補(bǔ)償功能，無需外加電路補(bǔ)償，簡化了電路，節(jié)省了成本，恒流源供電電路如圖2所示。

圖中C點(diǎn)電壓Vc是穩(wěn)定的電壓，由運(yùn)放的“虛短、虛斷”原理可知：B點(diǎn)電壓VB=VC，則給傳感器供電的電流激勵(lì)I(lǐng)=VB/R需要注意的是，運(yùn)算放大器的負(fù)載包含傳感器電阻橋和電阻R，其中電阻橋1、3端所對應(yīng)的阻值很大，同時(shí)電阻橋的電阻值隨溫度而改變，因此這兩端的壓降也會很大，再加上R的壓降后會更大，因此運(yùn)算放大器輸出電壓的最大幅值必須足夠大。

1.2運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)

儀表放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、高共模抑制比。通常，由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器價(jià)格較低，適應(yīng)性較寬；單片式結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)時(shí)已經(jīng)調(diào)整到很高的精度，但是價(jià)格比較昂貴。為了降低成本，采用三運(yùn)放儀表運(yùn)算放大電路。

1.3濾波電路設(shè)計(jì)

干擾抑制包括RC濾波電路以及軟件編寫的數(shù)宇濾波。RC濾波電路是為了抑制廣譜噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換前的抗混疊噪聲；而軟件編寫的數(shù)宇濾波是為了使單片機(jī)的采集信號更準(zhǔn)確。

RC濾波電路采用二階RC有源低通濾波電路，RC有源濾波器的諧振頻率可由RC網(wǎng)絡(luò)任意設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)的損耗由運(yùn)算放大器補(bǔ)償。

1.4 RS232通信電路設(shè)計(jì)

RS232通信是PC機(jī)與單片機(jī)用2根線方式進(jìn)行全雙工異步通訊。由于AVR單片機(jī)輸入輸出電平為TTL電平，PC機(jī)配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者電氣規(guī)范不一致，因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是一種新類型的電平轉(zhuǎn)換器，僅需+5 V電源供電。這種電平轉(zhuǎn)換器可將2路TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，也可將2路RS232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。

2軟件設(shè)計(jì)

軟件分2部分：單片機(jī)程序和上位機(jī)串口通訊程序。單片機(jī)程序要完成上電初始化、數(shù)宇濾波、ADC采集、開關(guān)量控制和與上位機(jī)的通訊。上位機(jī)將設(shè)定的開關(guān)量通過RS232電路傳給單片機(jī)，并保存在EEPROM中，傳感器輸出的壓力值經(jīng)過混合信號調(diào)理電路放大以及歸一化后，單片機(jī)對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果與EEPROM中的值比較，根據(jù)結(jié)果所在的開關(guān)閡值范圍，打開相應(yīng)的開關(guān)量。

上位機(jī)串口通訊程序?qū)崿F(xiàn)開關(guān)量的設(shè)定功能。通訊過程中數(shù)據(jù)都是以宇符型進(jìn)行傳輸，這樣就能避免控制宇符和數(shù)據(jù)的重復(fù)，使通訊更安全。上位機(jī)的程序是用Visual C ++提供的MFC編寫，MFC中的MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)Csl，為應(yīng)用程序提供串行通訊功能。

3總結(jié)

本文提出對稱結(jié)構(gòu)的放大器結(jié)構(gòu)具有較高的共模抑制比，能夠減小傳感器輸出的零點(diǎn)漂移，并可通過調(diào)零電阻對零點(diǎn)漂移進(jìn)行一定的補(bǔ)償。而且輸出線性度良好，能夠很好地處理傳感器的弱信號。本文工作對高性能單片壓阻式壓力傳感器的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 程維維.基于薄膜體聲波諧振器（FBAR）技術(shù)的無線傳感集成系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué)，2015.

[2] 李思穎，張正元，湯潔，丁大勝，張皓博.一種單片集成壓力傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2014（01）：78-80+100.

[3] 段寶明.單片集成CMOS-MEMS三軸電容式加速度傳感器[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.