智能信号调理芯片MAX1460及其应用

1 概述

MAX1460是美国Maxim公司生产的智能信号调理芯片，它首次在单片上整合了一套完整的16位数据采集和校正系统，从而提出了一个新颖的信号调理概念。MAX1460可将模数转换后的输出在一定的温度范围内通过片内的16－bit DSP按照用户给定的补偿方程进行校正，且可将校正系数存储在片内的128－bit E2PROM中。经过调理的信号既可选择12－bit数字输出，也可以通过片内的12－bit DAC模拟输出。

MAX1460片内不仅带有ADC、DSP和DAC，而且还有可编程增益放大器、温度传感器和失调校准电路，因而特别适用于压阻式传感器的信号调理，同时也适用于加速度计、应变检测和其他电阻传感器的信号调理。MAX1460只需少量外围元件，通过简单的设置和调节来对传感器的失调（Offset）、满量程输出（FSO）、失调温度系数（OffsetTC）、满量程输出温度系数（FSOTC）和满量程输出非线性进行校准和补偿。MAX1460调理后的输出信号精度可达到0．1%。

2 MAX1460的结构和原理

图1是MAX1460的内部功能结构框图，从图1可以看出，该芯片可以分为模拟前端、测试接口、数字处理模块和输出模块等几个主要部分。

2．1 模拟前端

MAX1460的模拟前端包括可编程增益放大器（PGA）、粗偏置DAC（CODAC）、温度传感器和16－bitΣ－Δ型ADC。在输入信号被量化之前，首先应先经过PGA和CODAC进行放大和粗偏置调整，这样可使信号在ADC的动态范围内。芯片的配置寄存器中有5个比特可用来设置PGA（2－bit）和CODAC（3－bit）。  



MAX1460具有内建的温度感应桥路，当需要MAX1460进行补偿时，可利用此温度感应桥代替外部传感器。因此，芯片应该尽量靠近传感器放置，以使得它们所处的热环境相同。温度感应桥路的输出信号也要经过一个3－bit的粗偏置DAC，然后才被ADC量化。温度传感器偏置（TSO）的配置位也应在配置寄存器中被设置，选择合适的设置可使半偏温度值在量化以后接近0．0，从而使校正系数适用于最大的温度范围。

MAX1460片内的16－bit ADC可对调整后的输入信号和温度信号进行量化，然后送到DSP寄存器中。ADC的动态范围为－VDD～＋VDD，当ADC的输入在±85％VDD范围时，芯片可保持很高的精度。

2．2 测试接口

对MAX1460的测试可以通过芯片的测试接口来实现。接口信号主要有片选信号（CS1，CS2）、启动信号（START）、测试使能信号（TEST）、复位信号（RESET）、串行数据信号（SDIO，SIO）和转换结束标志信号（EOC）。测试者可以按照给定的操作时序来通过此接口对芯片进行配置、写入校正系数（从而确定校正方程）以及读出经DSP校正的结果。

2．3 数字处理模块

MAX1460内建了一个低功耗的16－bit DSP，因而可以按照用户确定的校正方程对模拟前端送来的量化后的输入信号和温度信号进行计算，以得到校正后的输出。内建的校正算法采用多项式拟合，其表达式为：

D＝Gain（1＋G1T＋G2T2）（Signal＋Of0＋Of1T＋Of2T2）＋DOFF

式中D是期望的输出，G代表传感器的灵敏度，G1、G2分别代表温度效应的一阶和二阶温度灵敏度系数，Of0代表传感器的失调，Of1、Of2分别代表温度效应的一阶、二阶温度传感器的失调系数，S和T是模拟前端送来的量化后的输入信号和温度信号，DOFF是输出偏移量。校正系数可根据具体传感器系统的温度特性的不同来灵活配置。由于该校正方程采用了多项式拟合算法，并且对温度效应的高阶分量也进行了补偿，因此它可以使校正精度达到0．1%。

2．4 输出模块

经过校正的数字信号可以直接从并行数据口输出（高12－bit），也可以经过片内的12－bit DAC的数模转换后再从模拟输出口输出。除此之外，MAX1460片内还有一个运算放大器，用户可以利用这个运放来构成一个低通滤波器，以对DAC的输出进行滤波。

MAX1460不但有很高的补偿精度，而且具有高度的灵活性，它能够适应不同的系统，因而可广泛应用于工业压力传感器、手持仪器、智能充电系统和自动化系统等许多领域。

3 在高精度数控衰减系统中的应用

在雷达信号模拟系统中通常要对描述目标距离和角度的信号幅度进行精确衰减，而且对衰减系统的要求很高（步进值0．1dB，精度0．05dB）。这样，数控衰减系统的核心器件（模拟乘法器和DAC）的温度效应就必须予以考虑并加以解决。经过论证后，笔者采用MAX1460来对衰减系统进行温度补偿。图2所示是该温度补偿系统的整体结构。利用该系统可在不同的温度下输入相同的衰减控制字，并可通过对DAC的参考电压进行调整来改变DAC的输出电压，以达到校正衰减量的目的。由于MAX1460的转换速度只有15次／秒，因而不能在控制电压里直接对DAC的输出电压进行调整。



图3是调理系统的实际应用电路组成。其主控计算机通过RESET、TEST、XIN、SDIO、SDO等测试接口信号来与MAX1460进行串行通信，以实现对芯片的配置写入，同时也可读出其调理结果，测试程序是根据给定的读写时序用C＋＋语言编写的。图4是MAX1460测试接口的读写时序。由于DAC的参考电压为2V，考虑到MAX1460模拟前端的动态范围，设计时应先进行分压。本例采用运算放大器OP07来实现。其输出端则利用片内的内置运算放大器进行平滑，然后再用OP07进行比例放大，最后送给DAC。