개요: MAX1452 고성능 아날로그 신호 컨디셔너는 온 칩 플래시 메모리 룩 업 테이블을 사용하거나 OTC 및 FSOTC DAC를 사용하여 선형 보상을 허용한다. 센서와 MAX1452가 떨어져 있을 때와 같이 MAX1452와 센서가 동일한 온도에서 동작할 수 없는 애플리케이션의 경우에는 OTC 및 FSOTC DAC를 사용하여 센서 출력을 보상해야 한다. 이 애플리케이션 노트에서는 독자가 이미 MAX1452 및 기본 동작에 대해 알고 있다고 가정하고, 이러한 원격 센서 보상을 수행하는 절차에 대해 자세히 설명한다.
머리말
MAX1452는 플래시 메모리, 온도 센서 및 완전한 아날로그 신호 경로가 내장된 저가의 고성능 신호 컨디셔너이다. 이러한 신호 컨디셔너는 두 개의 온도 지점으로만 보상이 제한되는 애플리케이션을 포함하여 다양한 산업 및 자동차 센서 애플리케이션에 사용되어 왔다. 이와 같은 제한은 비용, 제조상의 문제, 또 센서와 신호 컨디셔너를 동일한 온도에서 유지할 수 없는 이유에 기인한다.
MAX1452 신호 컨디셔너를 사용하여 다음과 같은 두 가지 방법으로 보상을 수행할 수 있다.
첫 번째 방법은 두 보상 온도 지점 간에 FSO와 OFF DAC 값의 선형 외삽법(extrapolation)을 수행하여 OFF와 FSO 룩 업 테이블의 각 요소에 고유한 온도 계수를 삽입하고 입력 신호의 TC 오차를 교정한다. 이 방법에서 OTC와 FSOTC DAC는 보상 시 사용되는 것과 동일한 값으로 임의값을 고정시키도록 설정된다. 동작 중에 입력 신호의 보상은 MAX1452의 온도 변화에 따라 대응되는 계수로 OFF와 FSO DAC를 업데이트함으로써 이루어진다.
두 번째 방법에서는 OFF와 FSO 룩업 테이블을 단일 DAC로 본다. 온도에 따라 변화하는 브리지 여기 전압(VB)은 OTC와 FSOTC DAC의 기준 전압이며, 온도 파라미터로 사용된다. 보상 단계 동안 수행되는 측정을 기초로 OFF, FSO, OTC, FSOTC DAC에 대한 고유한 값이 계산된다. 이 방법은 원래 MAX1452와 센서를 동일한 온도에 놓을 수 없는 경우에 사용되어야 하지만, MAX1452와 센서가 동일한 온도에 있는 경우에도 사용할 수 있다.
이 두 가지 보상 방법은 모두 유사한 결과를 나타낸다. 올바르게 수행될 경우 이 방법들은 입력 신호의 TC 오차에 대한 선형적 요소를 완벽하게 없애주고 출력 오차를 입력 신호의 TC 오차에 대한 비선형적 요소만 남게 한다.
첫 번째 방법은 MAX1452 사용자 매뉴얼에 자세히 설명되어 있으므로 여기에서는 다루지 않고, 흔히 원격 센서 보상으로 불리는 두 번째 방법에 대해 설명한다.
원격 센서 보상 절차
아래 절차는 MAX1452와 100KPaG PRT 압축 센서가 통합된 압축 트랜스듀서를 보상하는 방법이다. 보상 결과는 표 1과 그림 1 – 그림 3에 나와 있다. 트랜스듀서는 0.5V의 원하는 오프셋 전압[VOUT(PMIN)]과 4.0V의 원하는 FSO 전압 [VOUT(PMAX) - VOUT(PMIN)]을 생성하도록 보상되었다. 따라서 풀 스케일 압력[VOUT(PMAX)]에서의 출력 전압은 4.5V가 된다. 여기에서는 최소 2개의 압력 지점(제로 및 풀 스케일)과 2개의 임의 온도 지점 (T1과 T2, 단, T2 > T1)이 필요하다. T1과 T2는 데이터 지점을 통과하는 최상의 선형 fit이 전체 동작 온도 범위에서 가장 작은 오차를 생성하도록 선택해야 한다.
다음은 절차의 주요 단계이다.
계수 초기화
FSO 캘리브레이션
FSO 및 FSOTC 보상
OTC 보상
OFF 보상
계수 초기화
절차를 시작하기 위해 PGA 이득, IRO 인덱스 및 DAC를 전체 보상 절차에 걸쳐 PGA 출력 과부하를 방지하는 값으로 설정해야 한다. 이들 값은 센서의 특성에 의해 결정되며, 센서 특성은 센서의 데이터 시트에서 확인할 수 있다.
PGA 이득 설정 선택하기
원하는 트랜스듀서의 풀 스케일 출력 전압(VFSODESIRED)을 2.5V의 일반 브리지 여기 전압(VB)에 대해 측정된 센서 스팬 (VSOUT)으로 나누어 필요한 신호 이득을 계산한다. 그런 다음, MAX1452 데이터 시트의 PGA 표에서 다음으로 높은 PGAGAIN을 제공하는 PGAINDEX를 선택한다.
예를 들어, 2.5V 여기 전압에서 0.0364V 출력과 4.0V의 VFSODESIRED를 갖는 센서는 110V/V의 신호 이득을 필요로 한다. 따라서 데이터 시트의 PGA 표에 준하여 117V/V 이득에 해당하는 PGA[3:0] = 0110을 선택한다.
IRO 인덱스 선택하기
2.5V의 일반 브리지 여기 전압에 대한 센서의 오프셋을 계산한다. 그리고 MAX1452 데이터 시트의 IRO 표에서 가장 가까운 IRO DAC 출력을 제공하면서 센서의 오프셋과 반대 부호를 갖는 IROINDEX를 선택한다.
예: +30mV 오프셋을 갖는 센서의 경우 IRO[2:0] = 011 및 부호 비트 = 0을 선택한다. 이것은 -27mV의 오프셋 교정에 해당된다.
초기 OTC DAC 값 선택하기
일반적으로 초기 OTC DAC 값은 이후 단계에서 OTC가 보상되기 때문에 제로로 설정할 수 있다. 그러나 큰 오프셋 TC 오차를 갖는 센서는 보상 절차 동안 출력의 포화를 방지하기 위해 대략의 초기 OTC 조정이 필요할 수도 있다. 풀 스케일 출력의 10%보다 큰 오프셋 TC 오차를 갖는 센서의 경우에는 초기 OTC 값을 제로가 아닌 값으로 설정하는 것이 좋다. 다음 수식을 사용하여 초기 OTC 값을 계산할 수 있다.
여기서, VB(T1) = 2.5V이고, VSOUT(T1), VSOUT(T2) 및 VB(T2)는 센서의 데이터 시트에 나와 있는 센서 파라미터를 사용하여 계산할 수 있다.
OTC의 값을 OTC DAC에 쓰고, 그에 따라 구성 레지스터의 OTC 부호 비트를 설정해야 한다.
FSO 캘리브레이션
다음 단계를 수행하여 초기 FSO DAC 값을 결정한다.
FSOTC DAC를 임의 값(0 등)으로 설정한다.
센서에 PMIN을 인가한다. PMIN는 최소 압력을 나타낸다.
브리지 여기 전압이 약 2.5V가 될 때까지 FSO DAC를 조정한다.
브리지 여기 전압(VB)을 측정한다.
OFF DAC를 조정하여 PGAOUT 전압을 0.5V로 설정한다.
PGAOUT, VOUT(PMIN)을 측정한다.
센서에 PMAX를 인가한다. PMAX는 최대 압력을 나타낸다.
PGAOUT, VOUT(PMAX)를 측정한다.
다음 식을 적용하여 VBIDEAL를 계산한다.
VBIDEAL이 허용 범위 [1.5V to (VDD - 0.5V)] 밖에 있으면 PGAGAIN 설정을 다시 조정한다. VBIDEAL이 너무 낮으면 PGAGAIN을 1단계 낮추고 두 번째 단계로 돌아간다. VBIDEAL이 너무 높으면, PGAGAIN 설정을 1 단계 높이고 두 번째 단계로 돌아간다. 1.5V < VB < (VDD - 0.5V) 범위 제한은 전체 동작 범위에 적용되므로, 온도에 따른 VB 변화를 위해 충분한 마진을 가져야 한다.
FSO DAC를 조정하여 VBIDEAL을 설정한다.
PGAOUT이 0.5V가 될 때까지 OFF DAC를 재조정한다.
FSO 및 FSOTC 보상
FSO와 FSOTC 계수는 다음 4 단계에서 구할 수 있다. 1단계에서는 T1에서 VBIDEAL을 산출하는 두 쌍의 FSO와 FSOTC 값을 계산한다. 2단계에서는 T2에서 VBIDEAL을 산출하는 두 쌍의 FSO와 FSOTC 값을 계산한다. 3단계에서는 어느 온도에서나 적용되는 VBIDEAL 값을 (이론적으로) 생성하는 보상 FSO와 FSOTC 값을 계산하기 위해 T1 및 T2에서 측정되는 FSO와 FSOTC 값을 적절한 수식에 적용한다. 4단계에서는 FSO DAC를 조정하여 풀 스케일 출력을 정밀하게 조정한다.
T1에서의 이상적인 브리지 전압, VBIDEAL(T1)
A. 온도를 T1으로 설정하고 0.1mV/min 내에서 안정화할 수 있도록 브리지 전압에 충분한 시간을 준다.
B. 센서에 PMIN을 인가한다.
C. 브리지 여기 전압(VB)을 측정한다.
D. PGAOUT, VOUT(PMIN)을 측정한다.
E. 센서에 PMAX를 인가한다.
F. PGAOUT, VOUT(PMAX)를 측정한다.
G. 수식 2를 적용하여 VBIDEAL(T1)을 계산한다.
H. FSO DAC를 조정하여 VBIDEAL을 설정한다.
I. 적절한 VFSODESIRED 레벨에 도달했는지 확인하기 위해 VOUT(PMAX)와 VOUT(PMIN)을 재측정한다. 그렇지 않은 경우, 단계 B부터 모든 단계를 반복한다.
J. FSO1(T1) 및 FSOTC1(T1)에 현재 FSO 및 FSOTC 값을 각각 기록한다.
K. FSO DAC 값을 5000 카운트까지 증가(또는 감소)시킨다.
L. VB = VBIDEAL(T1)이 될 때까지 FSOTC DAC 값을 조정한다.
M. FSO2(T1)와 FSOTC2(T1)에 현재 FSO와 FSOTC 값을 기록한다.
N. 센서에 PMIN을 인가한다.
O. VOUT(T1)에 출력 전압을 읽고 기록한다. 이 값은 이후 OTC 보상에 필요하다.
P. VB(T1)에 VB를 읽고 기록한다. 이 값은 VBIDEAL(T1)과 같아야 하며, OTC 보상에 필요하다.
T2에서의 이상적인 브리지 전압, VBIDEAL(T2)
A. 온도를 T2로 설정하고 0.1mV/min 내에서 안정화할 수 있도록 브리지 전압에 충분한 시간을 준다.
B. 센서에 PMIN을 인가한다.
C. VOUT(T2)에 출력 전압을 읽고 기록한다. 이 값은 이후 OTC 보상에 필요하다.
D. VB(T2)에 VB를 읽고 기록한다.
E. 위 단계와 동일하게 VBIDEAL(T2) 값을 계산한다.
F. 위 단계와 동일하게 FSO1(T2)과 FSOTC1(T2) 값을 계산한다.
G. 위 단계와 동일하게 FSO2(T2)와 FSOTC2(T2) 값을 계산한다.
H. 센서에 PMIN을 인가한다.
FSO와 FSOTC 계수의 계산
A. T1에서 FSO 및 FSOTC 곡선/함수
B. T2에서 FSO와 FSOTC의 곡선/함수
C. 최종 FSO 계수
D. 최종 FSOTC 계수
FSO 및 FSOTC DAC에 계산된 FSO와 FSOTC 값을 삽입하고, 필요한 경우 브리지 여기 전압이 VBIDEAL(T2)와 같아질 때까지 FSO DAC를 조정한다.
이로써 FSO 및 FSOTC 보상이 완료되었다. 이제 트랜스듀서의 FSO 출력은 VFSODESIRED 레벨과 같아야 한다.
OTC 보상
최종 OTC 값을 계산하는 데 필요한 모든 정보가 수집되었으므로, 이제 다음 수식을 사용한다.
여기서,
NewOTC는 최종 OTC 계수이다.
CurrentOTC는 OTC DAC에 있는 현재 값이다.
VOUT(T1)과 VB(T1)은 T1에 있는 동안의 최종 측정값이다.
VOUT(T2)와 VB(T2)는 T2 후 첫 번째 측정값이다.
OTC DAC에 NewOTC 값을 쓰고 그에 따라 구성 레지스터에 OTC DAC 부호 비트를 설정한다.
OFF 보상
이 지점에서 센서는 계속 온도 T2와 압력 PMIN에 있어야 한다. 마지막 오프셋은 VOUT이 원하는 오프셋 전압과 같아질 때까지(이 예에서는 0.5V) OFF DAC를 조정하거나, 필요한 경우 OFF DAC 부호 비트를 조정하여 T2 또는 T1에서 조정할 수 있다.
센서 보상이 이제 완료되었다!
센서 보상 확인
트랜스듀서에 다양한 온도와 압력 지점을 적용하면서 PGAOUT을 확인하여 보상을 검사한다.
예
아래에 제시된 데이터는 위에 설명된 절차의 효과를 보여준다. 100KPaG 게이지 센서(부품 번호: NPH-8-100GH)가 사용되었으며, 출력 보상은 PMIN = 0, PMAX = 100KPaG, T1 = -40°C, and T2 = +125°C에서 수행되었다. 타깃 출력 전압은 PGAOUT(PMIN) = 0.5V 및 PGAOUT(PMAX) = 4.5V이다. 보상 단계가 완료되었을 때 보상된 트랜스듀서는 T = -40°C,0°C, +25°C, +75°C, +125°C에서 특성화된 값을 갖는다. 2온도 보상은 센서 오차의 선형적 요소를 완전히 제거하였다. 보상된 트랜스듀서의 전체 오차는 보상되지 않은 센서 오차의 비선형 요소와 거의 동일하다.
표 1에는 보상되지 않은 센서와 보상된 트랜스듀서에 대해 측정된 출력 및 계산된 오차가 나와 있다. 보상되지 않은 센서의 오차는 전체 오차(TE)와 비선형 오차(NE)의 두 가지 형식으로 제공된다. TE는 TC 오차의 선형 요소와 비선형 요소를 합친 값이며(25°C에서 스팬 기준), NE는 전체 오차에서 데이터 세트의 양 끝 지점을 통과하는 직선에서 벗어난 편차로 계산되는 오차의 선형적 요소를 뺀 값이다. 표 1의 데이터는 그림 1-3에 그래픽으로 표시되었다. 그림 1은 보상되지 않은 센서의 전체 오차를 보여주며, 그림 2는 보상되지 않은 센서 오차의 비선형 요소를, 그림 3은 보상된 트랜스듀서의 전체 오차를 보여준다. 이 데이터를 통해 여기에서 수행된 2지점 보상 절차가 센서의 선형적 요소를 완벽하게 제거했으며, 보상된 트랜스듀서의 TE는 보상되지 않은 센서의 비선형적 요소와 거의 같음을 알 수 있다.
이 예에서, 보상에 극한의 온도 지점이 사용되었으며, 2온도 지점 보상의 효과를 보다 확실하게 입증하기 위해 측정된 데이터에 end-point straight-line fit이 적용되었다. 극한 온도 지점은 오차가 한 면으로 편중되고 수학적으로는 크기가 두 배가 되기 때문에 센서 보상에 최적은 아니다. 애플리케이션에서 최적의 보상 온도 지점은 트랜스듀서의 오차가 0% 오차 라인을 중심으로 균일하게 분포되도록 경험에 비추어 선택해야 한다. 일반적으로 전체 범위의 25%와 75%(중간 지점)에서의 온도 지점이 최적의 오차 분포를 제공한다. 이 예에서, 만약 최적의 보상 온도가 선택되었다면, 오차 분포는 0% 오차 라인을 중심으로 표 1의 일방 편중 오차의 약 ±½이 되었을 것이다.
그림 1. 1차 및 2차 오차를 더한 보상되지 않은 센서의 전체 오차
그림 2. 보상되지 않은 센서의 2차 오차. 이 오차는 그림 1의 데이터를 통과하는 직선의 끝 지점으로부터 벗어난 편차이다.
그림 3. 보상된 트랜스듀서의 오차. 이 오차는 보상 계수가 적용된 이후의 전체 오차이다. 2지점 온도 보상은 오차의 선형적 요소만 교정할 수 있다.
결론
이 애플리케이션 노트는 원격 센서 보상 절차를 시연하는 예를 제시하고 그러한 보상을 수행하는 방법을 설명하기 위해 작성되었다. 자동 보상에 보다 적합한 다른 절차는 EV 킷 소프트웨어 툴에 포함된 MAX1452 사용자 매뉴얼에 설명되어 있으며, 이 매뉴얼은 Maxim의 웹사이트에서 다운로드할 수 있다.
MAX1452의 기능을 완전하게 이용하기 위해서는 두 가지 보상 단계를 수행할 필요가 있다. 첫 번째 단계는 이 문서에 설명된 바와 같이 TC 오차의 선형 요소를 효과적으로 교정하기 위해 OTC와 FSOTC 계수를 산출하는 것이고, 두 번째 단계는 다중 온도 지점 보상을 사용하여 나머지 비선형 TC 오차를 제거하는 교정 계수를 OFF와 FSO 룩 업 테이블에 삽입하는 것이다. 다중 온도 보상 절차는 MAX1452 사용자 매뉴얼에 설명되어 있다.
유사한 센서끼리의 TC 특성(감도, 오프셋 등)은 거의 비슷하기 때문에 제조 환경에서 OTC 및 FSOTC DAC에 공칭 값을 사용할 수 있으며, 단 한 번의 다중 온도 지점 보상만으로도 MAX1452의 기능을 완전히 이용할 수 있다. 공칭 OTC 및 FSOTC 값과 PGAGAIN 및 IRO는 대표 표본에서 2지점 보상을 수행하여 구할 수 있다.
이 애플리케이션 노트에서는 MAX1452가 사용되었지만, MAX1452는 MAX1455와 거의 차이가 없기 때문에 MAX1455에도 동일한 절차를 적용할 수 있다.
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