壓力傳感器中的比例電壓輸出信號

Nobert Rauch 施林生（譯）

1. analog microelectronics GmbH公司，德國美茵茨 55124；2. 上海蕓生微電子有限公司，上海 201108

一、壓力傳感器AMS 5812

AMS 5812[1]是OEM壓力傳感器（見圖1），可以測量絕對壓力、相對壓力、差分壓力和雙向差分壓力（正壓和負壓）。每個傳感器在生產過程中都分別校準到指定的標稱值。由溫度變化引起的與理想曲線的偏差已經分別進行了補償和校正。補償溫度范圍為-25℃～ 85℃。一個誤差小、長期穩定性好的傳感器通常都是由高質量的硅壓阻芯體、現代的數字信號處理電路以及優化算法結合的結果。

AMS 5812采用5V供電，具有兩個獨立的輸出，一個模擬比例電壓輸出0.5V～4.5V（雙向差分壓力輸出為2.5V±2V[2]）和一個I2C 的數字輸出[3]。它們可提供0～0.075psi直到100psi的壓力范圍內的不同型號，也可以根據客戶要求提供其他標準。采用電路板安裝形式的雙列直插焊接端子的陶瓷基板和陶瓷外殼使壓力傳感器具有很高的機械穩定性。

二、壓力傳感器AMS 5812的工作原理

AMS 5812上的壓力檢測是通過硅壓阻測量元件（硅壓力芯體）實現的。在這個通過微機械MEMS加工的硅壓阻測量芯體上所測量的壓力被轉換為模擬信號，該信號幾乎與施加的壓力成正比。然后該電壓信號被CMOS ASIC放大（CMOS ASIC專用集成電路） （見圖2），并通過ADC模數轉換為數字信號。在AMS 5812系列中使用的ADC模數轉換電路的分辨率為16位。

通過微處理器模塊對數字化信號進行校準、溫度補償和線性化，最后得到了標準化的輸出信號，用于修正與理想曲線的偏差，在不同壓力和溫度下測量出的各個傳感器的溫度補償和校準系數都存儲在只讀存儲器EEPROM中。溫度的測量是通過與被測介質直接接觸的壓力芯體上的電路直接完成的，從而確保所測量的溫度準確和可靠。處理信號的微處理器CPU會根據相應的壓力和溫度值，通過校正系數的修正和補償不斷循環輸出正確的壓力信號以及溫度信號。修正和補償的壓力信號通常會以每0.5ms的周期寫入輸出寄存器中并連續不斷地更新。此時的壓力和溫度值都具有I2C 的數字信號輸出，同時壓力數字信號又由后續的DAC（11位）轉換為模擬電壓信號。11位的DAC對于轉換模擬電壓來說精度是足夠的。

三、模擬比例電壓信號的壓力芯體

在AMS 5812系列的傳感器中使用的壓阻式壓力傳感器芯體的輸出電壓，適用于下面的公式（一級近似）：

其中，S —壓力芯體的靈敏度；

P —壓力；

VCC—供電電壓。從公式中可以看出，硅壓阻壓力芯體的輸出信號VMz與電源電壓VCC和作用壓力P成正比，即VMz= f(P, VCC)，這意味著傳感器壓力芯體輸出的信號與電源電壓的變化同步變化：一種被稱為“比例”（或者叫比率）的效應。例如，如果電源電壓VCC變化±5%成為VCC1，則壓力芯體的輸出信號VMz會以相同的比率變化成為VMz1，由此得到比例電壓信號的條件是：

四、非比例電壓信號輸出的數字輸出信號

當今大多數傳感器都使用微處理器對經過模擬放大電路放大過的傳感器信號進行數字化處理。因此，不可避免地需要在信號放大和微處理器之間安裝一個模數轉換器（ADC）。ADC通常具有三個用于模擬電壓輸入的端口，它們是：與壓力成正比的壓力芯體輸出的電壓信號VMz(P)、高電平參考電壓VRef+、低電平參考電壓VRef-。

待轉換的ADC的輸入電壓信號對應的是壓力芯體的輸出電壓VMz。高電平參考電壓是微處理器的工作電壓VCC或者是外加的參考電壓，它限制了最大可測量的輸入電壓，出于成本原因，通常就直接采用工作電壓VCC。低電平的參考電壓VRef-可以是微處理器的接地端（Vground）或采用外部的參考電壓，它代表了ADC的零點。ADC以VRef+為參考電壓將壓力芯體放大的模擬信號轉換成數字信號。在相同的模擬電壓輸入值和相同的分辨率的情況下，參考電壓減小，則ADC輸出處的數字值增加，反之亦然。

如果僅僅考慮傳感器壓力芯體和ADC轉換器，那么ADC后面的數字信號值只是取決于壓力、分辨率以及壓力芯體的信號與參考電壓的比值。

如果壓力芯體的電源電壓VS和ADC的參考電壓VRef+同步變化（比如VRef+=VCC），則壓力芯體的輸出電壓VMz與參考電壓的比值在相同壓力下保持恒定，而且數字輸出信號與電源電壓VCC的變化也無關（公式1和3），因此，數字信號不是成比例的，它不會隨電源電壓的變化而變化，僅與壓力P成正比。

五、模擬比例電壓輸出信號

在AMS 5812傳感器中有一路模擬電壓輸出，這是使用DA數模轉換器（DAC）將數字信號轉換為模擬信號（圖3）。

DAC將相對于參考電壓VRef+作為基準電壓的數字信號轉換為模擬電壓信號。在相同的數字信號輸入和相同的分辨率的情況下，模擬電壓輸出會隨著DAC基準電壓VRef+,DAC減小而減小，隨著基準電壓VRef+,DAC增加而增加。ADC和DAC的基準電壓VRef+,ADC和VRef+,DAC都是直接連在AMS 5812的電源電壓VCC上的，因此壓力芯體的信號輸出時，比例電壓信號經過ADC模數轉換變為非比例輸出的數字信號，然后再通過DAC數模轉換成模擬的比例電壓輸出信號。因此，AMS 5812的模擬輸出電壓最終是與電源電壓成比例變化的。相反，由ADC模數轉換并由微控制器處理的數字信號與電源電壓則不是成比例變化的。

在VCC=5V情況下，由比例電壓信號的條件（公式2）得出比例電壓信號為：

比如傳感器AMS 5812在電源電壓VCC= 5V和壓力P0為零時，應該輸出Vout= 0.5V，對于電源電壓的變化VCC1= 5V ±5%時，輸出電壓為：

這個輸出電壓值是在電源電壓為VCC1時的正確的比例電壓輸出信號，這意味著輸出信號的穩定性直接取決于供電電壓的穩定性。

六、比例電壓信號的誤差

通常在輸出比例電壓信號的傳感器的電氣參數表中會列出比例信號的誤差。這個誤差就是輸出信號的實際測量值與公式（4）的計算值的偏差：

這個比例誤差不要與在VCC時的輸出信號和在VCC1時的輸出信號之間的偏差相混淆。

七、非比例電壓信號輸出的壓力傳感器

比例電壓信號的測量是來自于汽車行業對傳感器器件的測量要求。如果5V電路板上的電源電壓發生變化，則希望從傳感器的相應輸出值中就可以知道這一情況。

由于車輛中的許多比例電壓傳感器都由中央電源統一供電，因此電壓波動的影響都可以通過統一的校正，從而實現信號同步測量；另外一個原因是節省了每個傳感器都要一個標準參考電壓器件，這在具有大量傳感器的現代車輛中非常重要。

在汽車行業以及在傳感器AMS 5812中，采用5V供電的傳感器的典型輸出信號為0.5V～4.5V比例電壓輸出信號。比例電壓測量是指輸出的電壓信號在電源電壓為5V±5%的變化范圍內可以相應變化。

0.5 V～4.5V輸出信號的優點就是這個電壓范圍大小。如果輸出信號是＜0.3V或＞ 4.7V，那么可以知道傳感器存在故障，而這個電壓可以通過電路檢測出來（0.3V和4.7V的電位是通過電源電壓允許波動的范圍（±5%）計算得出的）。

允許電源電壓范圍較大的傳感器（例如VCC=10-30V）或在電源電壓＞6V工作的傳感器一定是有一個穩定的3V或5V以提供內部信號處理電路的電壓。由于不再存在電源電壓波動的風險，也就不需要考慮比例電壓的問題。

例如，圖4中的差分壓力變送器AMS 4711[4]使用8V～36V的電源電壓工作，這是符合工業標準要求的壓力變送器。該傳感器內部集成有一個5.50V的恒壓源，可以為壓力芯體和集成電路ASIC供電。因此，它可以產生5V的非比例模擬電壓輸出。

八、總結

通過一個具有模擬比例電壓輸出和數字輸出的OEM傳感器——AMS 5812的例子，詳細介紹了有關比例電壓信號的原理和應用，同時也解釋了為什么在這個傳感器中模擬輸出信號是比例電壓信號，而數字信號不是比例電壓信號。此外，文章還給出了比例電壓信號的誤差計算公式，這個誤差常常會在各種誤差考慮中被忽略。

在現代自動化設備中傳感器越來越多，它們都是可以通過統一的中央電源供電，所有比例電壓輸出的傳感器可以在電源電壓波動的時候同步得到修正，每個傳感器也不再需要一個基準電壓器件。以壓力傳感器AMS 4711為例，介紹了一種非比例電壓信號輸出的模擬電壓信號輸出的壓力變送器。