單片集成壓力傳感器的信號處理設計

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行研究，提出了一個更加高效的運算放大電路。電路采用兩級放大，具有對稱的輸入結構和全擺幅輸出結構。利用此電路可以構成儀表放大器，從而進一步設計出集成壓力傳感器。

關鍵詞 單片集成 壓力傳感器 信號處理

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A

0前言

隨著科學技術的迅速發(fā)展，傳感器技術也逐漸應用到國民經濟的各個領域，從汽車電子到醫(yī)療設備，傳感器技術隨處可見。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、運算以及溫度補償等環(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件，既減少了成本，又提高了可靠性。

1電路硬件設計

壓力傳感器混合信號調理電路包括模擬部分和數宇部分。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行放大并歸一化；濾波電路抑制放大輸出信號中的干擾。數宇電路包括開關量控制電路和RS232通信電路，RS232通信電路主要用于下位機與上位機的通信?；旌闲盘栒{理電路整體框圖如圖1所示。

1.1恒流源電路設計

用恒流源供電時，由于采用的傳感器具有靈敏度溫度自補償功能，無需外加電路補償，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點電壓Vc是穩(wěn)定的電壓，由運放的“虛短、虛斷”原理可知：B點電壓VB=VC，則給傳感器供電的電流激勵I=VB/R需要注意的是，運算放大器的負載包含傳感器電阻橋和電阻R，其中電阻橋1、3端所對應的阻值很大，同時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，因此運算放大器輸出電壓的最大幅值必須足夠大。

1.2運算放大電路設計

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，由集成運算放大器構成的儀表放大器價格較低，適應性較寬；單片式結構在生產時已經調整到很高的精度，但是價格比較昂貴。為了降低成本，采用三運放儀表運算放大電路。

1.3濾波電路設計

干擾抑制包括RC濾波電路以及軟件編寫的數宇濾波。RC濾波電路是為了抑制廣譜噪聲和模數轉換前的抗混疊噪聲；而軟件編寫的數宇濾波是為了使單片機的采集信號更準確。

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網絡任意設定，網絡的損耗由運算放大器補償。

1.4 RS232通信電路設計

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

2軟件設計

軟件分2部分：單片機程序和上位機串口通訊程序。單片機程序要完成上電初始化、數宇濾波、ADC采集、開關量控制和與上位機的通訊。上位機將設定的開關量通過RS232電路傳給單片機，并保存在EEPROM中，傳感器輸出的壓力值經過混合信號調理電路放大以及歸一化后，單片機對其進行模數轉換，將轉換得到的結果與EEPROM中的值比較，根據結果所在的開關閡值范圍，打開相應的開關量。

上位機串口通訊程序實現開關量的設定功能。通訊過程中數據都是以宇符型進行傳輸，這樣就能避免控制宇符和數據的重復，使通訊更安全。上位機的程序是用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據Csl，為應用程序提供串行通訊功能。

3總結

本文提出對稱結構的放大器結構具有較高的共模抑制比，能夠減小傳感器輸出的零點漂移，并可通過調零電阻對零點漂移進行一定的補償。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計具有重要的指導意義。

參考文獻

[1] 程維維.基于薄膜體聲波諧振器（FBAR）技術的無線傳感集成系統(tǒng)研究[D].浙江大學，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理電路的設計[J].微電子學，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，2013.