一种硅压阻传感器的信号处理电路的制作方法

本发明属于半导体传感器领域，涉及硅压阻传感器的信号处理，具体是一种硅压阻传感器的信号处理电路。

背景技术：

硅压阻传感器是以半导体硅材料的压阻效应制成的半导体传感器，具有体积小、动态性能优良、廉价等优点而得到广泛应用。但硅压阻传感器的电阻系数和压阻系数具有较大的温度系数，从而导致传感器的灵敏度和零点因温度的漂移较大；同时半导体材质的传感器电路对电路干扰的明感度也比较高。如何通过对硅压阻传感器进行有效硬件信号处理，以提高硅压阻传感器系统的测量精度，降低产品制造成本，扩展其使用范围，有着极大的经济价值。

目前的硅压阻传感器的硬件信号处理如图1所示，由硅压阻传感器、激励源、放大器、模数转换器、基准电压、模拟电路电源、数字电路电源共7部分组成。

在目前的硅压阻传感器信号处理电路中电子部件存在如下非理想电气特点：

1）硅压阻传感器的阻值存在着一定的温度系数，因此在相同的力和相同的电流激励的作用下，不同的温度下传感器存在输入内阻值和输出电压值不同，我们称之为输入内阻温漂，输出电压温漂；

2）恒流激励源，在不同的温度下的输出电流也存在差异，称之为输出电流温漂；

3）基准电压，在不同温度下的输出电压值也存在差异，称之为输出电压温漂；

4）放大器存在着有限的共模电压抑制比和电源电压抑制比；

5）模数转换器由于受到基准电压的稳定度和准确度、模拟电路电压噪声以及输入的采样信号的漂移存在的影响，其量化误差必然存在；

6）传感器、恒流激励器、放大器、基准电压、模拟电路电源、模数转换器受到电场干扰后也会存在输出差异；

在目前的传感器信号处理电路中，采用了独立的传感器恒流激励电路、独立的模数转换电压基准、独立的模拟电路工作电压，因此无法采用低成本的方法克服以上电子部件环节电气特性而的造成的硅压阻传感器系统的测量精度损失。如何处理好硅压阻传感器信号处理的这6个部分之间的关系，以提高系统的测量精度，是其电路设计的关键技术所在。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种硅压阻传感器的信号处理电路，克服现有信号处理电路存在的问题，提高系统的测量精度。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

一种硅压阻传感器的信号处理电路，包括激励源、硅压阻传感器、放大器、基准电源、模拟电路电源、数字电路电源和模数转换器，其特征在于：整个电路设置一个恒流源为基准源，以恒流源为基准通过电流控制电压源的方式产生模数转换器所需的基准电压，以恒流源激励硅压阻传感器产生的传感器输入电压为基准通过电压控制电压源产生放大器和模数转换器所需的模拟电路电源；

所述基准源包括基准电压芯片、场效应管、偏置电阻和电流取样电阻，其产生的恒定电流输入到硅压阻传感器，对传感器产生恒流激励；

所述电流控制电压源由仪表放大器、反馈电阻、恒流源的电流取样电阻、电容组成，产生基准电压源，基准电压源连接模数转换器作为模数转换器所需的基准电压信号；

所述电压控制电压源包括运算放大器、电阻、三极管和电容器，产生模拟电路电源，模拟电路电源受控于硅压阻传感器上的电压值；

所述模数转换器的数字电路部分的电源由稳压芯片产生。

本发明的有益效果是：这样的硅压阻传感器的信号处理电路解决目前硅压阻传感器硬件信号处理方法中存在的技术问题，提高了系统的测量精度，降低了硅压阻传感器硬件信号处理电路的设计成本，提高产品的合格率。

附图说明

图1是传感器信号处理电路的结构框图；

图2是本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

一种硅压阻传感器的信号处理电路，如图1所示，同样由激励源、基准电压、模拟电路电源、数字电路电源、放大器、模数转换器、硅压阻传感器共7部分组成，电路中如图2所示，采用了u1(tl431)为基准电压源、u2(ad620)为仪表放大器、u3b(lm358)运算放大器、u4a和u4b(ad8552ar)轨到轨放大器、u5(cs5490a)模数转换器、wy1(tle4275)带复位的稳压芯片、q1(bss138)场效应管、q2(a9013)三极管、以及电阻、排阻、电容、磁阻、tvs组成电路。s1是本电路原理中采用了硅压力传感器的原形，型号为m-17。接插件cn1是整个电路对外的电路接口，除了为整个电路提供工作所需的原始的直流电压，同时提供了传感器信号的对外的数字接口。

具体的电路组成如下：

激励源由基准电压芯片u1(tl431)、场效应管q1(bss138)、偏置电阻r201(100k欧)、电流取样电阻r202(2.5k欧)组成的恒流源；u1的1脚与r201的下脚相连；u1的2脚、r202的上脚、q1的3脚、u2的3脚相连；u1的3脚、r202的下脚、传感器s1的5脚、u2的2脚、u3b的5脚相连；r201的上脚、q1的1脚同节点va相连。

基准电压由仪表放大器u2(ad620)、电阻r203(49k欧)、电容c213(0.22微法)组成；u2的1脚、r203的下脚相连；u2的2脚、u1的3脚、r202的下脚、u3b的5脚、传感器s1的5脚；u2的3脚、u1的2脚、r202的上脚、q1的3脚相连；u2的4脚、u2的5脚、c213的下脚同节点agnd相连；u6的6脚、c213的上脚、u5的9脚相连；u5的7脚与节点va相连。

模拟电路电源由运算放大器u3b(lm358)、电阻r204(100欧)、三极管q2(a9013)、电容c203(0.1微法)、电容e203(10微法)组成；u3b的5脚、u1的3脚、r202的下脚、传感器s1的5脚、u2的2脚相连；u3b的6脚、q2的下脚、e203的上脚、c203的上脚与节点avcc相连；u3b的7脚、r204的左脚相连；u3b的8脚、e203的下脚、c203的下脚与节点agnd相连；u3b的4脚、q2的上脚与节点va相连；r204的右脚、q2的左脚相连。

数字电路电源由稳压芯片wy1(tle4275)、电容e103(10微法)、电容c104(0.1微法)、电容e102(10微法)、电容c105(0.1微法)组成；wy1的1脚、e103的上脚、c104的上脚、cn1的1脚相连；wy1的3脚、e103的下脚、c104的下脚、e102的下脚、c105的下脚、c103的下脚、cn1的2脚与节点dgnd相连；wy1的5脚、e102的上脚、c105的上脚、r101的上脚、u5的16脚与节点dvcc相连；wy1的2脚、r101的下脚、u5的3脚相连；u5的4脚、c103的上脚相连。

放大器由轨到轨放大器u4(ad8552ar)、电阻r206(100k欧)、电阻r205(100k欧)、电容c206(0.22微法)、电容c205(0.22微法)、电阻r207(1k欧)、电阻r208(1k欧)、传感器s1的匹配电阻组成；u4a的2脚、s1的7脚、r206的左脚、c206的左脚相连；u4a的3脚、s1的4脚相连；u4a的1脚、r206的右脚、c206的右脚、r208的左脚相连；u4b的5脚、s1的10脚相连；u4b的6脚、r205的左脚、c205的左脚、s1的9脚相连；u4b的7脚、r205的右脚、c205的右脚、r207的左脚相连。

模数转换器由模数转换芯片u5(cs5490a)、晶振x1(4.096mhz)、电容c214(22皮法)、电容c215(22皮法)、电容c207(0.022微法)、电容c208(0.022微法)、电容c209(0.022微法)组成；u5的1脚、x1的右脚、c215的下脚相连；u5的2脚、x1的左脚、c214的下脚相连；u5的3脚、r101的下脚、wy1的2脚相连；u5的4脚、r208的右脚、c208的下脚、c209的上脚相连；u5的5脚、r207的右脚、c209的下脚、c207的上脚相连；u5的6脚、ar1的7脚、ar1的8脚、c212上脚、c210下脚相连；u5的7脚、ar1的5脚、ar1的6脚、c211上脚、c212下脚相连；u5的8脚与节点agnd相连；u5的9脚、u2的6脚、c213的上脚相连；u5的10脚与节点agnd相连；u5的11脚与节点avcc相连；u5的12脚、cn1的6脚相连；u5的13脚、cn1的5脚相连；u5的14脚、cn1的4脚相连；u5的15脚、cn1的3脚相连；u5的16脚与节点dvcc相连。

硅压阻传感器s1采用m-17型传感器；s1的5脚和6脚为传感器的恒流激励输入引脚；s1的5脚、u1的3脚、r202的下脚、u2的2脚、u3b的5脚相连；s1的6脚与节点agnd相连；s1的4脚和10脚为传感器的信号输出引脚；s1的4脚、u4a的3脚相连；s1的10脚、u4b的5脚相连；s1的7脚和9脚为传感器的与放大器的增益匹配引脚；s1的7脚、u4a的2脚、r206的左脚、c206的左脚相连；s1的9脚、u4b的6脚、r205的左脚、c205的左脚相连；s1的11脚悬空；s1的12脚悬空。

节点avcc为模拟电路电源正；与该节点相连的引脚有：e203的上脚、c203的上脚、e204的上脚、c204的上脚、q2的下脚、u3b的6脚、u4b的8脚、ar1的1脚、u5的11脚。

节点agnd为模拟电路电源负；与该节点相连的引脚有：e201的下脚、c201的下脚、e202的下脚、c202的下脚、e203的下脚、c203的下脚、e204的下脚、c204的下脚、c211的下脚、c207的下脚、c213的下脚、c208的上脚、c210的上脚、s1的6脚、u2的4脚、u2的5脚、u3b的4脚、u4b的4脚、ar1的4脚、u5的10脚、u5的8脚、emi2的左脚。

节点va是传感器电路的模拟高位节点电压；与该节点相连的引脚有：emi1的左脚、e201的上脚、c201的上脚、q2的上脚、u3b的8脚、u2的7脚、q1的1脚、r201的上脚、e202的上脚、c202的上脚。

整个硅压阻传感器的信号处理电路中，只采用一个基准源(由基准电压芯片u1、场效应管q1、偏置电阻r201、电流取样电阻r202组成的恒流源)，并将其作为根基准。产生的恒定电流输入到硅压阻传感器s1的引脚5,对传感器产生恒流激励。并将该基准源做为根基准，实现了模数转换器的基准电压、模拟电路电源与根基准和传感器内阻的温度和电气特性的同步随动，降低了对基准源的使用精度的要求。

仪表放大器u2、反馈电阻r203、恒流源的电流取样电阻r202、电容c213组成的电流控制电压源，产生基准电压源vref+。vref+与模数转换器u5的引脚9相连，供给u5作为模数转换所需的基准电压信号。模数转换器u5相当于采用了传感器s1的激励电流作为模数转换的基准，即相当于统一了系统的量具，因此能够消除或减小了传感器的激励源同模数转换器基准电压之间的度量误差。当基准源(由基准电压芯片u1、场效应管q1、偏置电阻r201、电流取样电阻r202组成的恒流源)因温度或干扰产生输出电流改变后，会导致硅压阻传感器输出信号同步改变，但由于模数转换器u5的基准电压vref+同步受控于基准源(由基准电压芯片u1、场效应管q1、偏置电阻r201、电流取样电阻r202组成的恒流源)的电流，这样得到电气特性同步变化，从而达到消除或减小了传感器的激励源同模数转换器u5的基准电压之间的度量误差，提高了系统的测量精度。

运算放大器u3b、电阻r204、三极管q2、电容c203和e203组成电压控制电压源，产生模拟电路电源avcc。电源avcc受控于传感器s1的引脚5上的电压值，图1电路中的电压控制电压源的传递系数为1，因此电路中的模拟电路的电源avcc始终通传感器s的引脚5的电压一致。这样可以在较宽的温度范围内保证传感器s1的零点输出共模电压与轨到轨放大器u4的输入零点共模电压始终保持一致，从而保证了轨到轨放大器u4对传感器输出信号的线性度的高度一致，消弱传感器输出信号随温度的零点飘移造成的系统精度的损失，提高了系统的测量性能。

由于硅压阻传感器s1的内阻的温度系数比较大，在根基准源的恒流的激励下，随温度产生的输入电压的变化具有体现硅压阻传感器实际工作温度的电压信息，而该输入电压与模拟电路电源电压avcc高度保持一致，因此avcc也携带硅压阻传感器的工作温度信息。这样我们可以通过排阻ar1对模拟电路电源电压avcc进行取样后，在经模数转换器u5进行采集量化后，由软件进行适当处理即可得到温度信息，方便了后续对硅压阻传感器的测量性能进行温度的软件补偿。

本发明有效的降低了硅压阻传感器硬件信号处理的设计难度，降低了产品制造成本，提高了硅压阻传感器系统的测量精度。