智能传感器仿真加速信号调节系统的设计

设计传感器信号调节电子器件及相关校正算法并非易事，而且耗时长。使用硬件传感器仿真器可显著缩短 开发时间。例如，造成温度校正费时的一个主要原因是在环境舱中温度从冷到热循环时间长，可能需要几小时温度才能达到稳定，像典型的三点校正(-55℃、 25℃和85℃)需要八小时。传感器仿真器中已经设置了传感器温度漂移的模型，这样控制工程师仅需几分钟即可完成仿真校正。这样一天之内可以做很多校正， 节省了时间，仅需将注意力集中在传感器硬件的调试或开发校正算法。

传感器的另一问题是有些传感器需要昂贵的设备提供激励(比 如，湿度、加速、pH、压力和拉力)。在很多情况下并不容易接触这些设备。使用 传 感器仿真器可以在使用这样设备之前调试软硬件，可提高实验室研究的效率。此外，这些用于产生激励的设备有时是为特定传感器而开发的，未必通过验证。

例如，Contrivance Engineering开发的定制机械校正系统用于在传感器上加力矩。由于传感器是与那些校正系统同时开发的，没有传感器仿真器则很难调试这些传感器。而 且，如果校正系列一开始就存在机械振荡问题，如果没有仿真器，很难确定振荡是机械系统产生的还是来自电气系统。

传感器还可能在不可重复 的问题，这样就很难判断是传感器的故障还是传感器的性能所限。比如，压力传感器除了延时外，还会存在压力滞后或温 度滞后，因为传感器和电子器件通常放置在密封盒中，这样就很难判断故障是来自传感器的还是电子器件的。传感器赶集器不存在不可重复性，因此可评估传感器电 子器件的精度。

在详细讲解如何实现传感器仿真器之前，可把它视作一个黑箱。本文的传感器仿真器用于仿真四元件Wheatstone桥传感器。由于大多数桥传感器提供相关的温度传感器，因此它可效仿两种不同类型温度传感器的效果(二极管和串行电阻)。

图1 (a和b)分别为要效仿的桥传感器实例

桥传感器示例

PGA309 是典型的信号调节片上系统，它可用于补偿温度漂移和阻性桥传感器的非线性。图1a为桥传感器实例，其温度系数将用于确定电阻电 压(Rt)。Rt上的电压为温度信号。仿真器可模拟Rt温度感应方法，它提供一个可编程温度信号，根据温度信号调制桥电压。该传感器仿真器还可模拟图1b 的电路，该图中二极管用于测量桥温度。

图2 传感器的温度飘移

图3 传感器输出信号与激励间关系

图2描述了传感器的温度飘移。传感器仿真器将三个不同温度(室温、热和冷)下的飘移建立了模型。图3为传感器输出信号与激励间关系。通常该信号仅包括二阶非线性。传感器仿真器将传感器响应与所加激励在室温下五个分立点及冷热两种温度下三个分立点的情况分别模拟出来。

传感器温度漂移

输出信号与激励的关系

传感器信号调节系统通常调制激励电压以校正传感器的非线性。由于Vexc的调节可用于校正所加压力的非线性，因此才可以用于为现实传感器建模，即传感器仿真器输入Vexc的变化将直接影响所仿真的桥输出。

图4 视作黑箱的传感器仿真器