感測器訊號調節所需的混合訊號晶片，現已普遍用於各種感測器應用，如壓力、溫度與定位監控，在這些訊號調節器中，感測元件的輸出訊號調節功能結合混合訊號電路，其中結合類比與數位電路。此外，感測元件訊號實際調節是在數位域中完成，而調節訊號即為感測器訊號調節器產出結果。感測器輸出以類比或數位形式，傳輸至控制或監控系統，若使用類比傳輸形式，處理後的數位訊號必須再轉換回類比形式。
本文介紹以類比形式傳輸資料的訊號調節器中，使用的感測器訊號調節演算式調校。在感測器調校中，包含感測元件非理想因素與訊號調節器非理想因素，例如偏置與增益誤差，調校模式必須處理在數位電路前後的類比電路中，可能發生的類比訊號鏈誤差。
感測元件電子輸出通常數值低，也具有非理想因素，如偏置、敏感度誤差、非線性等，導致量測失誤。必須運用感測器訊號調節器，將非理想因素降至最低。
混合訊號調節器
圖1為混合訊號調節器與類比輸出方塊圖，混合訊號調節器採用前端類比電路連結感測元件。由於感測元件輸出通常極小，前端會包括增益級與類比數位轉換器(ADC)。ADC可將感測元件輸出數位化，故數位訊號處理的彈性技術可用於調節感測元件訊號，增益級可能包括單端差分放大器或儀表運算放大器，必須仰賴感測元件輸出針腳。
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| 圖1 混合訊號調節器方塊圖 |
前端資料經過數位電路調節後，將送回後端傳輸至控制或監控系統，調節後的訊號傳輸可採類比或數位形式，為了以類比形式傳輸調節後的數位訊號，需使用數位類比轉換器(DAC)結合緩衝或增益級，將數位數值轉換為類比形式。
感測調節器元件不協調 導致類比訊號鏈誤差
感測元件輸出訊號通常頻率差距極低，故範圍也很小，因此調節時必須從增益級開始，也會造成各種放大器誤差，例如輸入偏置、增益與非線性誤差。此外，感測元件原本就有偏置及非線性誤差，兩者相加產生更大影響。
本文討論的訊號調節器也有類比輸出，一般是增益級後的DAC所產生，故調節後的訊號會受到放大器誤差影響，如類比輸入級內的輸入偏置、增益及非線性誤差。感測調節器內的誤差是因為裝置與晶片內部元件不協調而產生，而誤差嚴重程度則取決於感測元件訊號輸出增益多寡，以及調節後輸出訊號傳輸至控制或監控系統前的增益多寡。
感測元件訊號均具備非理想因素，故在感測器製作過程中，就會試圖矯正感測元件輸出，大多是運用訊號調節器，也是在此調校過程中，就必須考量類比訊號鏈誤差。
圖2說明在感測元件輸入訊號中，若使用未調校感測器訊號調節器的情況，以及調校後感測調節器的理想輸出結果，其中未調校輸出包含了訊號調節器訊號流之中的各種感測元件與類比電路的非理想因素。
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| 圖2 調校後感測器理想輸出與感測元件訊號 |
兩步調校程序
兩步調校程序包括：
本程序處理的誤差，來自於訊號經數位電路調節後，又轉換為類比形式所致。
本程序處理的輸入偏置、增益及非線性誤差，來自於數位化之前的感測元件訊號。
圖3說明感測調節器內，與兩步調校程序有關的區塊。調校程序順序之所以重要，在於調校後端類比電路後，能為感測元件與前端類比電路調校提供理想輸出值。
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| 圖3 感測器調校需要前端與後端曲線配合 |
後端與前端類比電路調校目標幾乎相同，希望降低類比訊號鏈非理想因素產生的誤差，進而提升感測器輸出準確性，但是調校後端電路的資料點來自感測調節器內部，而非感測元件。
感測器後端電路調校
為了真正調校後端電路，DAC及其他輸出類比電路必須獨立於數位訊號調節電路之外，外部調校系統可直接聯絡DAC，並測量後端類比電路輸出(訊號調節器的輸出針腳)。資料曲線配合時，則使用標準曲線配合演算式，這條曲線用來判斷感測元件輸出調校所需的DAC數值，而調校所需的資料點數量則取決於後端類比電路出現的非理想因素。由於資料點是由用戶控制，而非感測元件，通常只需幾項資料點，即可完成調校，且若後端類比電路行為隨溫度改變，這項程序必須在不同溫度中反覆執行。
後端類比電路轉換功能與DAC理想程式碼決定後，這些程式碼將納入前端調校計算中。
感測器前端調校
前端調校大多取決於感測元件的輸出訊號線性，由於感測器調校由製造商負責，時間與成本也是重要因素，如前所述，可依據感測器準確度需求採用不同方式。
整體而言，當感測元件受到應用相關感測條件激活後(如溫度或壓力等等)，感測調節器使用數學演算法調校感測器輸出，量測次數的影響因素包括感測調節器處理資料的能力，以及調校感測器所需時間，例如在三個輸入訊號點測量ADC輸出，可調校壓力感測器前端。若使用標準曲線配合技巧，運用後端電路調校時計算的ADC資料與DAC程式碼，可判斷從ADC輸出至DAC輸入的理想轉換功能。但是在三種不同溫度下，都能測量三項壓力點，故一共可得到九項量測結果，故感測調節器輸出的數學算式為：
其中h0、h1、h2、g0、g1、g2、n0、n1、n2均為係數，能讓感測元件輸出與感測調節器理想輸出相同，由於計算這些係數時，必須使用後端電路結果，故得先完成後端調校。
當然，相較於在一種溫度下測量三點壓力，在三種溫度下各測量三點壓力勢必較為耗時與複雜，但後者的感測器輸出也會更準確，在不同應用與感測調節器功能影響下，可搭配各種不同組合，例如在兩種溫度下各測量兩點壓力，或是在四種溫度下各測量四點壓力。
兩步調校程序可用於混合訊號感測調節器與類比輸出，這項程序能減少類比訊號鏈誤差，進而提升感測器準確性。
(本文作者任職於德州儀器)