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高度一體化感測器介面類比前端簡化感測器調節
 

【作者: Debbie Brandenburg】   2016年11月09日 星期三

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感測器廣泛應用於消費者和工業市場,從手機和平板電腦到精密檢測、距離測量、識別/影像處理和生產過程檢測儀表應用。許多此類系統整合多個類比感測器,使設備更智能、更高效、更具生產力。這些感測器可用於偵測壓力、溫度、作用力、位置、溫度、光、流量、聲音、速度、熱量等。主流家用電器中的感測器數量可能會讓你大吃一驚。例如目前洗衣機中配備檢測電機電流、洗衣桶轉速、水位、水流量、水溫、失衡、機門開啟/關閉的感測器,一些洗衣機甚至還配備觸摸感測器按鈕以便進行洗衣週期控制。高效直筒式洗衣機會根據每次洗衣時衣服重量確定水位。感測器和感測器介面技術為當下家用電器中的諸多效率和安全功能提供支持。


類比感測器生產的電訊號通常非常小,同時周圍還充滿雜訊。許多情況下,沒有兩個感測器完全相同,每個感測器都有其獨特的雜訊特徵,為訊號路徑帶來各自的偏移。校準系統、區分訊號與雜訊和進行放大是影響最終系統性能的關鍵因素。類比感測器和數位訊號處理之間存在重要的電子介面,該電子介面對電訊號進行調節,確保電訊號處於下游 ADC(類比數位轉換器)工作範圍內。


目前工業系統利用許多感測器和多種感測器類型,對感測器調節元件提出更高的要求。多感測器系統需要多重級別校準和放大,充分處理感測器訊號并將其傳輸至下游 ADC。感測器在電子裝置和設備中的應用日益廣泛,增加了對靈活、低成本感測器介面解決方案的需求。


感測器調節功能可透過多器件分立解決方案實現。許多情況下,分立感測器介面解決方案放棄各感測器輸入可變增益或可調節偏移。與一體化解決方案相比,分立解決方案通常功耗更高、占用空間更大並且設計時間更長。許多供應商提供一體化感測器介面類比前端 (AFE)。


大部份解決方案包括可在客戶終端系統中複製的處理器,可能包括大多數應用不需要的高級路徑和記憶體保護,而後者會增加成本。Exar 提供的 XR10910 感測器介面 AFE 屬於低成本一體化解決方案,在小空間中整合高通道數和功能,與競爭器件相比功耗更低。與分立或競爭 AFE 解決方案相比,XR10910 獨特性能支持更高的設計靈活性。


XR10910 – 16:1 感測器介面 AFE

XR10910 感測器介面包括 16:1 差分多路復用器、可編程增益儀表放大器、10 位偏移校正 DAC(數模轉換器)和 LDO(低壓降調節器)。XR10910 功能和特性由 I2C 介面控制,其效能和特徵可實施當前帶嵌入式 ADC 的微控制器 (MCU) 或現場可編程門陣列 (FPGA)。圖 1 為 XR10910 框圖。



圖1 :  XR10910 框圖
圖1 : XR10910 框圖

XR10910 是市場上唯一能夠連接 16 個差分輸出感測器的感測器介面 AFE。每個連接 XR10910 的感測器都有各自的固有偏移,未經校準會降低感測器系統靈敏度和整體效能。板載 DAC 為儀表放大器引入偏移,以便校準感測器產生的偏移電壓。可以為 16 個通道中的每個通道設置獨立偏移。


可編程增益儀表放大器在 2V/V 到 760V/V 範圍內提供 8 個可供選擇的增益以便進行放大,使訊號處於下游 ADC 輸入範圍內。XR10910 甚至還包括一體化 LDO,方便系統設計師提供調節電壓,驅動感測器。


XR10910 在 2.7V 到 5V 電壓範圍內工作,在 1.8V 到 5V 較寬數字電壓範圍內輸出。該產品通常耗用 457uA 電流,具有睡眠模式,在該模式下消耗電流僅為 45uA。


16 位本底雜訊效能

Exar AFE 提供 14 位元線性訊號路徑,具有低峰間雜訊(G = 760 時為 2μVpp)和低輸入電壓雜訊(G = 760 時為 35nV/√Hz),請參見圖 2 和圖 3。XR10910 低雜訊效能與低偏置電流能力(最大 100pA)相結合,使該 AFE 能夠連接各種感測器,與 3V 到 5V 16 位 ADC 完美搭配。



圖2 : 輸入電壓雜訊與頻率
圖2 : 輸入電壓雜訊與頻率

圖3 :  0.1Hz 到 10Hz RTI 電壓雜訊
圖3 : 0.1Hz 到 10Hz RTI 電壓雜訊

XR10910 特色

‧ 一體化 MUX、DAC、PGA 及 LDO 簡化感測器調節應用


‧ 與一體化程度更高的 AFE 解決方案相比,靈活性更高


‧ 與一體化程度更高的解決方案和分立解決方案相比,功耗更低


‧ 結構簡單,易於使用的 I2C 介面


‧ 6mm x 6mm QFN 封裝


‧ 高通道數簡化板布局,節省空間


適用於 16 個橋式感測器的低功能感測器介面解決方案

許多作用力和壓力感測器利用構建為惠斯通電橋電路的電阻元件,這通常稱為應變計。電橋中的電阻元件改變電阻響應機械應變。應變計感測器通常用于作用力和壓力測量。XR10910 是介於多個橋式感測器和 ADC/MCU 或 FPGA 之間的易用型感測器調節介面,如圖 4 所示。



圖4 : 使用 XR10910 的 16:1 橋式感測器介面
圖4 : 使用 XR10910 的 16:1 橋式感測器介面

橋式感測器具有差分輸出訊號(VO+ 和 VO-)。 理想情況下,空載電橋輸出為零(VO+ 和 VO- 相等)。但電阻值不準確導致 VO+ 和 VO- 之間存在差異。該電橋偏移電壓可能較大並且因感測器不同而存在差異,從而降低系統精度。XR10910 能夠使用板載 DAC 在 16 個橋式感測器上校準電橋偏移。


XR10910 提供易用解決方案,最多可連接 16 個橋式感測器。XR10910 僅耗用 457μA 電流並且只占用 36mm2 空間,成為體積最小功耗最低的 16 個橋式感測器介面。


結論

XR10910 將成為 Exar 首款易用型感測器介面產品,日后該系列產品將不斷擴展。該產品獨一無二的特性,填補了功能少分立度高解決方案與帶有處理能力的單芯片感測器介面 AFE 之不足。與以上兩者相比,XR10910 具有更高的通道數、更低的功能和更小的體積。


感測器和感測器技術將繼續整合到越來越多的日常產品中。XR10910 等感測器調節產品將繼續在感測器與日益發展的數字和無線領域互聯中發揮重要作用。


(本文作者Debbie Brandenburg任職於Exar Corporation)


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