MAX1455：低成本高精度傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，信號(hào)調(diào)理是確保傳感器輸出準(zhǔn)確、穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。今天要給大家介紹一款高度集成的傳感器信號(hào)處理器——MAX1455，它專(zhuān)為電阻式元件傳感器設(shè)計(jì)，能提供放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能，使整體性能接近傳感器的固有重復(fù)性。

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一、產(chǎn)品概述

（一）主要特性

MAX1455具有諸多出色特性，為傳感器信號(hào)調(diào)理提供了全面解決方案。它能提供放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能，可選擇輸出限幅，能適應(yīng)5mV/V至40mV/V的傳感器輸出靈敏度，采用單引腳數(shù)字編程，無(wú)需外部微調(diào)組件，具備16位偏移和量程校準(zhǔn)分辨率，擁有全模擬信號(hào)路徑，PRT電橋可用于溫度校正輸入，片上查找表支持多點(diǎn)校準(zhǔn)溫度校正，頻率響應(yīng)快達(dá)3.2kHz，還集成了片上未使用的運(yùn)算放大器，同時(shí)具備Secure - Lock?功能防止數(shù)據(jù)損壞。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

MAX1455的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋壓力傳感器和變送器、壓阻式硅傳感器、應(yīng)變計(jì)、電阻式元件傳感器、加速度計(jì)、濕度傳感器以及MR和GMR傳感器等。

（三）封裝形式

該產(chǎn)品有裸片形式，以及16引腳的SSOP和TSSOP封裝可供選擇，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外，Maxim還能針對(duì)高批量專(zhuān)用應(yīng)用對(duì)MAX1455進(jìn)行定制。

二、電氣特性分析

（一）電源相關(guān)參數(shù)

在電源電壓方面，范圍為4.5V至5.5V，典型值為5.0V。電源電流（(I{DD})）由(I{DD1})和(I_{DD2})組成，典型值為3.0mA，最大值為6.0mA。振蕩器頻率在0.85MHz至1.15MHz之間，典型值為1MHz。

（二）模擬輸入特性

輸入阻抗為1MΩ，輸入?yún)⒖伎烧{(diào)偏移范圍在最小增益且偏移溫度系數(shù)為0時(shí)可達(dá)±150mV，輸入?yún)⒖计茰囟认禂?shù)在(T{A}=T{MIN})至(T_{MAX})時(shí)為±1μV/°C，放大器增益非線性度為0.025%，共模抑制比在指定共模電壓范圍內(nèi)為90dB，最小和最大輸入?yún)⒖紳M量程輸出（FSO）范圍分別為7mV/V和40mV/V。

（三）模擬輸出特性

最小和最大差分信號(hào)增益范圍分別為39V/V和234V/V。輸出限幅電壓設(shè)置有多種選擇，可根據(jù)不同需求進(jìn)行調(diào)整。負(fù)載電流源和負(fù)載電流沉在特定條件下分別為1mA和2mA，直流輸出阻抗為1Ω，偏移DAC輸出比和偏移溫度系數(shù)DAC輸出比均為1.0V/V，階躍響應(yīng)時(shí)間為300μs，輸出電容負(fù)載最大為1000nF，輸出噪聲在特定條件下為2.5mV RMS。

（四）電橋驅(qū)動(dòng)特性

橋電流在(V_{BDR}≤3.75V)時(shí)，范圍為0.1mA至2mA，典型值為0.5mA，電流鏡比為12mA/mA，最小FSODAC代碼推薦值為4000Hex。

（五）數(shù)模轉(zhuǎn)換器特性

DAC分辨率為16位，不同DAC的位權(quán)重有所不同，如ODAC、FSODAC的位權(quán)重在DAC參考為(V{DD}= +5.0V)時(shí)為153μV/Bit，OTCDAC、FSOTCDAC在DAC參考為(V{BDR}= 2.5V)時(shí)為76μV/Bit。

（六）粗偏移DAC特性

IRODAC分辨率為3位（不包括符號(hào)位），位權(quán)重在輸入?yún)⒖记褼AC參考為(V_{DD}= +5.0V)時(shí)為9mV/Bit。

（七）內(nèi)部電阻特性

電流源參考電阻（(R{ISRC})）和滿量程輸出（FSO）微調(diào)電阻（(Delta R{STC})）均為75kΩ，電阻溫度系數(shù)為1333ppm/°C，最小和最大電阻值分別為60kΩ和90kΩ，電阻匹配度為1%。

（八）輔助運(yùn)算放大器特性

開(kāi)環(huán)增益為90dB，輸入共模范圍為(V{SS})至(V{DD})，輸出擺幅在無(wú)負(fù)載且(T{A}=T{MIN})至(T{MAX})時(shí)為(V{SS}+ 0.01V)至(V_{DD}- 0.01V)。

三、功能詳細(xì)剖析

（一）信號(hào)處理與補(bǔ)償

MAX1455為傳感器信號(hào)提供模擬放大路徑，采用數(shù)字控制的模擬路徑進(jìn)行非線性溫度校正。對(duì)于PRT應(yīng)用，有一階溫度校正的模擬架構(gòu)。校準(zhǔn)和校正通過(guò)改變PGA的偏移和增益以及傳感器電橋激勵(lì)電流或電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。PGA采用開(kāi)關(guān)電容CMOS技術(shù)，輸入?yún)⒖计莆⒄{(diào)范圍超過(guò)±150mV，分辨率約為3μV（16位），增益值在16個(gè)步驟中從39V/V到234V/V變化。

（二）偏移校正

初始偏移校正通過(guò)信號(hào)增益放大器輸入級(jí)的粗偏移設(shè)置完成，最終偏移校正通過(guò)溫度索引查找表實(shí)現(xiàn)。片上溫度傳感器以約1.5°C的索引分辨率從-40°C到+125°C提供唯一的16位偏移微調(diào)值，每毫秒對(duì)偏移查找表進(jìn)行索引，將結(jié)果值傳輸?shù)狡艱AC寄存器，以±76μV（±0.0019% FSO）的分辨率補(bǔ)償傳感器偏移。

（三）FSO校正

FSO增益校準(zhǔn)由兩個(gè)功能塊控制。首先，通過(guò)數(shù)字選擇PGA的增益設(shè)置粗增益；其次，F(xiàn)SODAC根據(jù)EEPROM中FSO查找表的溫度索引參考設(shè)置傳感器電橋電流或電壓。FSO校正同樣通過(guò)溫度索引查找表實(shí)現(xiàn)，片上溫度傳感器以約1.5°C的索引分辨率從-40°C到+125°C提供唯一的FSO微調(diào)值。

（四）線性和非線性溫度補(bǔ)償

通過(guò)向偏移溫度系數(shù)（offset TC）和滿量程輸出溫度系數(shù)（FSOTC）寄存器寫(xiě)入16位校準(zhǔn)系數(shù)，可補(bǔ)償一階溫度誤差。由于傳感器的溫度系數(shù)電阻（TCR），壓阻式傳感器由電流源供電會(huì)導(dǎo)致溫度相關(guān)的電橋電壓。offset TC DAC和FSOTC DAC的參考輸入連接到電橋電壓，其輸出電壓隨電橋電壓的溫度變化而跟蹤，通過(guò)改變offset TC和FSOTC數(shù)字代碼，利用部分溫度相關(guān)的電橋電壓補(bǔ)償一階溫度誤差。

四、典型電路設(shè)計(jì)

（一）比例式輸出電路

比例式輸出配置提供與電源電壓成比例的輸出，可應(yīng)用于比例式ADC以產(chǎn)生與電源電壓無(wú)關(guān)的數(shù)字值。MAX1455只需最少的外部組件即可實(shí)現(xiàn)高性能比例式輸出，包括一個(gè)電源旁路電容和一個(gè)可選的輸出EMI抑制電容。

（二）非比例式輸出電路

非比例式輸出配置允許傳感器電源在較寬范圍內(nèi)變化。電路中通常會(huì)集成一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器（如MAX1615），為MAX1455提供穩(wěn)定的電源和參考。這種配置適用于輸入電壓范圍較寬且系統(tǒng)A/D或讀出設(shè)備不支持比例式操作的情況。

五、內(nèi)部寄存器與通信

（一）內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器

MAX1455有五個(gè)16位內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器（ICRs），可從EEPROM加載數(shù)據(jù)，也可通過(guò)串行數(shù)字接口加載。數(shù)據(jù)加載分為三種情況：正常操作的上電初始化序列、正常操作的連續(xù)刷新以及校準(zhǔn)操作時(shí)通過(guò)串行通信更新寄存器。

（二）內(nèi)部EEPROM

內(nèi)部EEPROM組織為768×8位的存儲(chǔ)器，分為12頁(yè)，每頁(yè)64字節(jié)，可單獨(dú)擦除。它包含配置寄存器、偏移校準(zhǔn)系數(shù)表、偏移溫度系數(shù)寄存器、FSO校準(zhǔn)系數(shù)表、FSO溫度校正寄存器以及52字節(jié)（416位）供用戶編程制造數(shù)據(jù)（如序列號(hào)和日期）。補(bǔ)償值可在校準(zhǔn)期間通過(guò)串行數(shù)字接口直接加載到寄存器，也可在上電時(shí)自動(dòng)從EEPROM加載。

（三）數(shù)字模式與通信協(xié)議

MAX1455通過(guò)DIO提供的單引腳串行接口訪問(wèn)控制功能和存儲(chǔ)器。通信協(xié)議采用異步串行數(shù)據(jù)通信，能自動(dòng)檢測(cè)主機(jī)計(jì)算機(jī)的波特率，數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位，數(shù)據(jù)位按LSB先、MSB后傳輸。通信僅在Secure - Lock字節(jié)禁用（(CL[7: 0]=00 HEX)）或UNLOCK引腳為高電平時(shí)允許。

（四）初始化與重新初始化序列

上電后或收到重新初始化命令后，發(fā)送的第一個(gè)命令字節(jié)（01hex）用于MAX1455學(xué)習(xí)通信波特率。重新初始化序列為1字節(jié)的FFhex傳輸，收到該序列后，接收邏輯重置為上電狀態(tài)，等待初始化序列以重新建立波特率。

（五）串行接口命令格式

所有通信命令遵循起始位、8個(gè)命令位（命令字節(jié)）和停止位的格式。命令字節(jié)由4位接口寄存器集地址（IRSA）半字節(jié)和4位接口寄存器集數(shù)據(jù)（IRSD）半字節(jié)組成。部分寄存器內(nèi)容用于數(shù)據(jù)保存和導(dǎo)向信息，對(duì)IRS中特定地址的數(shù)據(jù)寫(xiě)入會(huì)立即執(zhí)行命令。

（六）串行數(shù)字輸出

通過(guò)向CRIL位置寫(xiě)入Read IRS（RDIRS）命令（5hex），可將DIO配置為數(shù)字輸出。MAX1455會(huì)輸出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，內(nèi)容由IRS指針（IRSP[3:0]）值決定。

六、傳感器補(bǔ)償與校準(zhǔn)

（一）補(bǔ)償概述

傳感器補(bǔ)償需要在工作壓力和溫度范圍內(nèi)檢查傳感器性能，至少使用兩個(gè)測(cè)試壓力（如零和滿量程）和兩個(gè)溫度。典型補(bǔ)償程序包括設(shè)置參考溫度（如25°C），初始化傳感器，設(shè)置初始電橋電壓，校準(zhǔn)輸出偏移和FSO，存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；然后設(shè)置下一個(gè)測(cè)試溫度，重復(fù)校準(zhǔn)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算校正系數(shù)，下載到EEPROM并進(jìn)行最終測(cè)試。

（二）校準(zhǔn)示例

以一個(gè)MAX1455和初始偏移為16.4mV、量程為55.8mV的壓阻式傳感器為例，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，可轉(zhuǎn)換為偏移為0.5000V、量程為4.0000V的補(bǔ)償式傳感器，非線性傳感器偏移和FSO溫度誤差從20% - 30% FSO降低到±0.1% FSO以下。

七、評(píng)估套件

為了加快基于MAX1455的傳感器和測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，Maxim推出了MAX1455評(píng)估套件。該套件包括帶有或不帶有硅壓力傳感器的評(píng)估板、設(shè)計(jì)/應(yīng)用手冊(cè)、MAX1455通信軟件以及接口適配器，方便用戶對(duì)MAX1455進(jìn)行手動(dòng)編程和評(píng)估。

總結(jié)

MAX1455作為一款低成本高精度的傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器，憑借其豐富的功能、出色的電氣特性和靈活的配置，為傳感器信號(hào)調(diào)理提供了可靠的解決方案。無(wú)論是在工業(yè)、汽車(chē)還是其他領(lǐng)域的傳感器應(yīng)用中，都能發(fā)揮重要作用。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，可以充分利用MAX1455的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器的準(zhǔn)確測(cè)量和穩(wěn)定輸出。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似的傳感器信號(hào)調(diào)理問(wèn)題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。