一种高精度压力计温度影响的误差来源分析及消除

　　一、前言

　　在数字压力计设计中，有许多因素会影响测量精度及长期稳定度，例如温度变化、A/D 转换器指标、线路接地方式、工频干扰等。其中温度的影响最明显，且不易消除。与普通精度数字压力计相比，在高精度数字压力计的设计中，需要考虑更多的与温度相关的误差来源，并依次分析解决。

　　本文给出了一种高精度数字压力计的数据采集电路设计，分析了温度影响的误差来源，同时给出了相应的消除温度影响的方法。在 15℃~45℃温度使用范围内，当校准周期为一年时，该数字压力计的测量精度能达到满量程的万分之二。

　　二、数据采集电路

　　图 1 是高精度数字压力计的数据采集电路。正 5V 电源经 C6、R11、C7组成的 π 型滤波器滤波后，一路为 A/D 转换器 U1供电;一路经 R1与 R2组成的电阻网络分压后分别为两组 A/D 转换器提供参考电压(图中只绘出了一组，另一组类似);另一路经R3电阻后为压力传感器提供激励电压。激励电压经 R4与 R5组成的电阻网络分压后由A/D转换器U1图 1 高精度数字压力计数据采集电路测量;压力传感器应变电阻桥的输出由另一路 A/D 转换器(未绘出)测量。可以看到，所有 A/D 转换器的模拟输入通道都有电阻、电容组成的滤波网络。

　　2 组独立的 A/D 转换电路分别测量压力传感器的激励电压及输出电压。A/D 转换电路由 CS5520 电桥式传感器专用 20 位 A/D 转换器组成[1]。CS5520 同时使用了-5V 电压，需要单独的 DC-DC 转换芯片完成正压到负压的变换，可以使用其它类似指标的单电源 A/D 转换器。

　　三、温度影响的误差来源及消除方法

　　高精度数字压力计的测量工作过程是这样的：压力传感器的激励电压及输出电压通过阻容网络滤波后，经 A/D转换器采样为数字信号，数字信号通过数字滤波后由串行通信接口传送给 CPU，CPU 对采样信号进行分度及温度补偿修正得到测量结果。由于使用了易受温度影响的硅压力传感器，与温度影响相关的硬件可以分为硅压力传感器与数据采集电路两部分。

　　考虑该工作过程及硬件组成，可以把温度影响的误差来源分为三部分：由于分子热运动产生的热噪声、温度变化对硅压力传感器的影响、温度变化对数据采集电路的影响。下面依次分析并提出解决方法。

　　1、热噪声

　　只要传感器温度大于绝对零度，就会存在因为分子无序热运动产生的热噪声，温度越高，热噪声越大。热噪声影响采集系统硬件的各个方面，只在模拟线路部分影响测量结果。热噪声是随机噪声，可以使用滤波器消除。可以看到，在模拟线路部分，多处使用阻容网络组成低通滤波器来对输入信号滤波; -Σ 类型的 A/D 转换器内部均天然有数字滤波器功能，可以选择合适的采样率(例如 50Hz)消除高频热噪声影响，同时兼顾对 50/60Hz 工频干扰的共模抑制比。