本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種硅壓阻傳感器，具體是一種硅壓阻傳感器的硬件信號處理方法。

背景技術(shù)：

硅壓阻傳感器是以半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)制成的壓力傳感器，具有體積小、動態(tài)性能優(yōu)良、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，但是硅壓阻傳感器的電阻系數(shù)和壓阻系數(shù)具有較大的溫度系數(shù)，從而導(dǎo)致傳感器的靈敏度和零點(diǎn)因溫度的變化而產(chǎn)生的漂移較大；同時(shí)半導(dǎo)體材質(zhì)的傳感器電路的抗電磁干擾的能力較低；如何通過對硅壓阻傳感器進(jìn)行有效硬件信號處理，以提高硅壓阻傳感器系統(tǒng)的測量精度，降低產(chǎn)品制造成本，擴(kuò)展其使用范圍，有著極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前的硅壓阻傳感器的信號處理硬件組成原理是由硅壓阻傳感器、激勵(lì)源、放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓、模擬電路電源和數(shù)字電路電源組成，其結(jié)構(gòu)和各部分的關(guān)系如圖1所示；激勵(lì)源給硅壓阻傳感器的內(nèi)部的壓敏硅電阻惠斯登電橋施加恒定的電流激勵(lì)；硅壓阻傳感器是由高質(zhì)量的硅壓阻原件構(gòu)成的惠斯登電橋原件和精密的力學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力與電的一體化轉(zhuǎn)換，當(dāng)力學(xué)結(jié)構(gòu)受力時(shí)惠斯登電橋的四個(gè)橋臂的硅壓阻的電阻就會因所受應(yīng)力而變，此時(shí)惠斯登電橋的輸入端收到激勵(lì)源的恒定的電流驅(qū)動后，惠斯登電橋的輸出端就會產(chǎn)生與所受應(yīng)力相關(guān)的電壓值輸出信號；放大器將硅壓阻傳感器輸出的毫伏級的電壓信號進(jìn)行一定比率的放大，以達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入電壓幅度的要求；數(shù)模轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過放大器放大后的硅壓阻傳感器的電壓信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換；基準(zhǔn)電壓是用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)所需的參考電壓值；模擬電路電源用于給硅壓阻傳感器的硬件信號處理組成部分的模擬信號處理電路提供電能量；數(shù)字電路電源用于給硅壓阻傳感器的硬件信號處理組成部分的模數(shù)轉(zhuǎn)換起的數(shù)字電路部分提供電能量。其工作原理是：硅壓阻傳感器在受外界壓力的作用下，其內(nèi)部惠斯登電橋的橋臂電阻發(fā)生了相應(yīng)改變，其激勵(lì)的輸入端在激勵(lì)器的恒定電流的驅(qū)動下，使其輸出端輸出了與所受外界力相對應(yīng)的毫伏級的模擬電壓信號，該信號經(jīng)放大器放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的電壓幅值后，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，按照傳感器滿量程電壓為基準(zhǔn)電壓值幅度，進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

目前的硅壓阻傳感器的硬件信號處理方法如圖2所示，電路部件之間相對獨(dú)立，激勵(lì)源由恒流源組成，輸出電流直接驅(qū)動硅壓阻傳感器，硅壓阻傳感器輸出電壓，放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬電路由共同的模擬電路電源提供，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入的模擬信號進(jìn)行量化的參考電壓由獨(dú)立的基準(zhǔn)電壓提供；這樣在硅壓阻傳感器的硬件信號處理電路中，除了硅壓阻傳感器本身以及放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能要求高外，激勵(lì)源、模擬電路電源以及基準(zhǔn)電壓的性能也是影響測量精度的硬件信號處理電路的關(guān)鍵因素。

所以目前的硅壓阻傳感器硬件信號處理方法中存在影響系統(tǒng)測量精度的三個(gè)關(guān)系獨(dú)立的基準(zhǔn)源，即激勵(lì)源、基準(zhǔn)電壓、模擬電路電源；這樣會產(chǎn)生：①傳感器的激勵(lì)源同模數(shù)轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓之間的度量誤差；②傳感器的零點(diǎn)共模輸出與放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的零輸入共模電平的不一致，致使信號傳遞過程中線性誤差增大；③由于硅壓阻傳感器的電阻的溫度變化率比較大，采用恒流驅(qū)動傳感器電橋可以減小溫度對傳感器輸出電壓的差分信號的影響，但會造成隨溫度變化傳感器零點(diǎn)共模電壓輸出的漂移，致使對傳感器輸出信號進(jìn)行放大的放大器的線性工作點(diǎn)產(chǎn)生影響；④在受到電磁干擾后，三個(gè)基準(zhǔn)源會產(chǎn)生三個(gè)不同頻率和相位變化的干擾信號，增加了電路設(shè)計(jì)的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決目前硅壓阻傳感器硬件信號處理方法中存在的上述問題，本發(fā)明提出一種硅壓阻傳感器的硬件信號處理方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種硅壓阻傳感器的硬件信號處理方法，是基于硅壓阻傳感器的硬件電路拓?fù)湓?，在影響電路性能的部件上引入電流控制電壓源和電壓控制電壓源，整個(gè)電路只有一個(gè)激勵(lì)源，激勵(lì)源采用恒流源，以恒流源為基準(zhǔn)源通過電流控制電壓源的方式產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的基準(zhǔn)電壓，以恒流源激勵(lì)硅壓阻傳感器產(chǎn)生的傳感器輸入電壓為基準(zhǔn)通過電壓控制電壓源產(chǎn)生放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的模擬電路電源。

本發(fā)明的有益效果是：

①整個(gè)硅壓阻傳感器的硬件信號處理方法中，只采用一個(gè)恒流源作為基準(zhǔn)源，并將基準(zhǔn)源作為根基準(zhǔn)源，實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓、模擬電路電源同根基準(zhǔn)源和傳感器內(nèi)阻的溫度和電氣特性的同步隨動，降低了對激勵(lì)源的使用精度的要求。

②模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓是通過電流控制電壓源而得到，能夠消除或減小了傳感器的激勵(lì)源同模數(shù)轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓之間的度量誤差，提高了系統(tǒng)的測量精度。

③模擬電路電源avcc是通過電壓控制電壓源而得到，保證了放大器對傳感器輸出信號的線性度的高度一致，消弱傳感器輸出信號隨溫度的零點(diǎn)飄移造成的系統(tǒng)精度的損失，提高了系統(tǒng)的測量性能。

④可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬電路電源電壓進(jìn)行采集量化后，由軟件進(jìn)行適當(dāng)處理可得到溫度信息，方便了后續(xù)對硅壓阻傳感器的測量性能進(jìn)行溫度的軟件補(bǔ)償。

附圖說明

圖1是目前的硅壓阻傳感器的信號處理硬件信號處理的電路組成框圖。

圖2是目前的硅壓阻傳感器的信號處理硬件信號處理方法的原理電路拓?fù)鋱D。

圖3是本發(fā)明中硅壓阻傳感器的信號處理硬件信號處理方法的原理電路拓?fù)鋱D。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述說明，

一種硅壓阻傳感器的硬件信號處理方法，基于硅壓阻傳感器的硬件電路，在影響電路性能的部件上（在電路上傳感器的激勵(lì)源與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的獨(dú)立的基準(zhǔn)電壓不相關(guān)聯(lián)和傳感器在激勵(lì)源作用下產(chǎn)生的輸入端的電壓與放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬電路供電的獨(dú)立的穩(wěn)壓電源不相關(guān)聯(lián)）引入電流控制電壓源和電壓控制電壓源，其信號處理方法的原理電路拓?fù)淙鐖D3所示，整個(gè)電路只有一個(gè)激勵(lì)源，激勵(lì)源采用恒流源wl，并將恒流源wl作為根基源準(zhǔn)通過電流控制電壓源的方式產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的基準(zhǔn)電壓vref+，以恒流源wl激勵(lì)硅壓阻傳感器ｓ１產(chǎn)生的傳感器輸入電壓為基準(zhǔn)通過電壓控制電壓源產(chǎn)生放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的模擬電路電源avcc。

整個(gè)硅壓阻傳感器的硬件信號處理方法中，只采用一個(gè)恒流源wl，并將wl作為根基準(zhǔn)源，實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓、模擬電路電源同根基準(zhǔn)源和傳感器內(nèi)阻的溫度和電氣特性的同步隨動，降低了對基準(zhǔn)源的使用精度的要求。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓vref+是通過根基準(zhǔn)wl控制wy1(電流控制電壓源)而得到。模數(shù)轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于采用了傳感器激勵(lì)電流is為模數(shù)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)，即相當(dāng)于統(tǒng)一了系統(tǒng)的量具，因此能夠消除或減小了傳感器的激勵(lì)源同模數(shù)轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓之間的度量誤差。當(dāng)基準(zhǔn)源wl因溫度或干擾產(chǎn)生輸出電流改變后δis，會導(dǎo)致硅壓阻傳感器輸出信號同步改變δvo，但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓vref+同步受控于基準(zhǔn)源wl的電流δis，這樣得到電氣特性同步變化，從而達(dá)到消除或減小了傳感器的激勵(lì)源同模數(shù)轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓之間的度量誤差，提高了系統(tǒng)的測量精度。

模擬電路電源avcc是通過根基準(zhǔn)wl的電流激勵(lì)硅壓阻傳感器s1的惠斯登電橋，產(chǎn)生的電橋輸入電壓e+為基準(zhǔn)控制wy2(電壓控制電壓源)而得到?？梢栽谳^寬的溫度范圍內(nèi)保證傳感器的零點(diǎn)輸出共模電壓與放大器的輸入零點(diǎn)共模電壓始終保持一致，從而保證了放大器對傳感器輸出信號的線性度的高度一致，削弱傳感器輸出信號隨溫度的零點(diǎn)飄移造成的系統(tǒng)精度的損失，提高了系統(tǒng)的測量性能。

由于硅壓阻傳感器的內(nèi)阻的溫度系數(shù)比較大，在根基準(zhǔn)源wl的恒流is的激勵(lì)下，隨溫度產(chǎn)生的輸入電壓的變化具有體現(xiàn)硅壓阻傳感器實(shí)際工作溫度的電壓信息，而該輸入電壓通過控制wy2(電壓控制電壓源)得到的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬電路電源電壓avcc也攜帶硅壓阻傳感器的工作溫度信息。這樣我們可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬電路電源電壓進(jìn)行采集量化后，由軟件進(jìn)行適當(dāng)處理即可得到溫度信息，方便了后續(xù)對硅壓阻傳感器的測量性能進(jìn)行溫度的軟件補(bǔ)償。

本發(fā)明有效的降低了硅壓阻傳感器硬件信號處理的設(shè)計(jì)難度，降低了產(chǎn)品制造成本，提高了硅壓阻傳感器系統(tǒng)的測量精度。