Универсальный интерфейс для датчиков AD8555
Микросхема AD8555 [18, 19] (см.
рис. 12) предназначена для работы с датчиками напряжения или тока. ИС представляет собой дифференциальный усилитель с малым дрейфом напряжения смещения (менее 10 мкВ в диапазоне температур –40…125°С); программной установкой постоянного уровня выходного напряжения и коэффициента передачи (в диапазоне от 70 до 1280 В/В с шагом менее 1); высоким КОСС (80 дБ); возможностью реализации ФНЧ при подключении одного внешнего конденсатора к выводу FILT/DIGOUT (см. рис. 13а). При использовании внешних резисторов ИС AD8555 допустимо применять для работы с чувствительными пьезоэлектрическими элементами (CS на рисунке 13б).
Микросхема имеет следующие особенности:
● требуемый коэффициент передачи ИС вначале может быть установлен программным путём и после наладки зафиксирован с помощью плавких перемычек из поликристаллического кремния (ПКК);
● коэффициент передачи изменяется раздельно в первом и втором каскадах, в первом – от 4,0 до 6,4 В/В (128 значений усиления устанавливаются потенциометрами P1, P2 на рис. 12), во втором – от 17,5 до 200 В/В (8 значений усиления устанавливаются потенциометрами P3, P4);
● уровень постоянного выходного напряжения задается программным способом с дискретностью 0,004(VDD – VSS) и изменяется пропорционально суммарному напряжению питания VDD – VSS. При настройке этот уровень напряжения может быть выбран программным путём, а потом зафиксирован с помощью «пережигания» ПКК перемычек;
● к входу ИС подключен источник вытекающего тока, а к выводу VCLAMP – втекающего, что позволяет обнаружить оборванные и короткозамкнутые цепи по входу и выводу VCLAMP;
● для корректного управления АЦП с низким напряжением питания уровень ограничения выходного сигнала устанавливается внешним источником опорного напряжения, соединённым с выводом VCLAMP.
Программируемый
интерфейс для датчиков MLX90314AB
Специализированный микроконтроллер MLX90314AB [20] предназначен для обработки сигналов мостовых датчиков. Входной сигнал микросхемы MLX90314AB (см. рис. 14) усиливается и сдвигается по постоянному уровню, а затем преобразуется в сигнал требуемой формы в одном из выходных каскадов. Величина усиления и сдвига определяется ЦАП, управляемым от встроенного микроконтроллера.
Область применения MLX90314AB аналогична AD8555, но главным преимуществом является возможность цифровой коррекции характеристик датчиков. Микросхема MLX90314AB позволяет:
● уменьшить нелинейность температурных и передаточных характеристик датчиков за счёт программирования коэффициента передачи ИС и применения внешнего или внутреннего датчика температуры. Выбранная величина коэффициента передачи сохраняется во встроенном электрическистираемом программируемом постоянном запоминающем устройстве (ЭСППЗУ);
● установить требуемый уровень постоянного выходного напряжения и необходимый диапазон изменения выходного сигнала по напряжению (4, 5, 10, 11 В) и току (аналоговая токовая петля 4…20 мА);
● встроенный стабилизатор обеспечивает питание мостовой схемы напряжением или – с помощью внешнего МОПтранзистора – током;
● ослабить влияние входной перегрузки стандартными цепями ESDзащиты КМОП схем [21].
Программируемый
интерфейс для èê-датчиков
температуры MLX90313
Микросхема MLX90313 [22] (см.
рис. 15) содержит два малошумящих аналоговых канала с малым напряжением смещения и программируемым коэффициентом передачи (programmable gain amplifier, PGA на рисун
ке 15); 12разрядный АЦП в каждом канале; схему линеаризации; различные типы выходных каскадов для обоих каналов, в том числе: 12разрядный цифровой выход через последовательный интерфейс (Serial Peripheral Interface, SPI), аналоговый (Linear, Lin) выход с восьмиразрядным разрешением, десятиразрядный выход с ШИМ (PWM). Питание ИС осуществляется через встроенный стабилизированный источник с входным напряжением в диапазоне от 7 до 80 В.
Микросхема «ИКтермометра» MLX90313 ориентирована на работу с термопарами, термоэлементами, объединёнными с терморезисторами, но может быть применена для обработки, линеаризации и температурной коррекции сигналов различных мостовых датчиков.
При использовании MLX90313 необходимо учитывать, что:
● диапазон программирования коэффициента передачи составляет от 55 до 5500 В/В для инфракрасного канала (IR path на рисунке 15) и от 1 до 40 В/В для канала термистора (Thermistor path);
● питание терморезистора, подключённого между выводами TINP и TINN, осуществляется с помощью источника тока, величина которого определяется сопротивлением внешнего резистора между выводами CREF и VCC и масштабирующим коэффициентом в диапазоне от 1/7 до 1. Напряжение на выводе CREF устанавливается от внутреннего источника опорного напряжения 2 В;
● установка необходимых параметров, конфигурации и калибровка системы осуществляются через интерфейс SPI.
Программируемый
интерфейс для ИК-датчиков LMP91050
Микросхема LMP91050 [23, 24] предназначена для согласования ИКдатчика с микроконтроллером, позволяет программировать параметры и оптимизирована для работы с термобатареями (см. рис. 16).
К особенностям структуры и параметров ИС можно отнести следующее:
● программируемый усилитель (PGA) позволяет устанавливать коэффициент передачи в диапазонах от 167 до 1335 В/В (низкое усиление) и от 1002 до 7986 В/В (высокое усиление). Усилитель состоит из двух последовательно включённых каскадов PGA1 с двумя значениями усиления (250 и 42) и PGA2 с четырьмя значениями усиления (4, 8, 16, 32);
● возможность компенсации влияния постоянной («темновой») составляющей входного сигнала за счёт изменения уровня сигнала на входе второго каскада;
● подстраиваемый (от 1,15 до 2,59 В) источник синфазного напряжения (CM GEN на рисунке 16), используемый для увеличения выходного динамического диапазона;
● допустимо выполнение ВЧ или НЧфильтрации сигнала с помощью внешних цепей, соединённых с выводами микросхемы A0 и A1;
● конфигурирование ИС и установ
ка требуемых параметров осуществляется через встроенный интерфейс SPI и при необходимости через программноаппаратный комплекс LMP91050 Design Kit.
Серия программируемых
интерфейсов фирмы Maxim
Фирма Maxim создала серию полупроводниковых интерфейсов для мостовых датчиков с малым уровнем выходного сигнала [25, 26]. Хотя ИС были разработаны для пьезорезистивных датчиков давления, гибкая внутренняя структура и возможность программирования параметров позволяют применять их для работы с датчиками ускорения, деформаций и др. Все микросхемы серии осуществляют компенсацию температурных изменений и нелинейности передаточных характеристик датчиков и различаются по степени интеграции и погрешности обработки сигнала.
Серия состоит из следующих микросхем:
● MAX1458 – функционально полная СБИС аналогоцифрового формирователя сигналов датчиков включает аналоговый канал обработки сигнала датчика, четыре 12разрядных ЦАП для управления уровнем постоянного напряжения и усиления, один трёхразрядный ЦАП
для грубой установки постоянного напряжения, встроенное ЭСППЗУ для хранения информации о калибровке;
● MAX1457 – высококачественный формирователь сигналов с температурной коррекцией и линеаризацией выходного сигнала датчика путём установления кусочнолинейной передаточной характеристики ИС из 120 сегментов. В отличие от MAX1458, он содержит 12разрядный АЦП, который оцифровывает информацию датчика для хранения во внешнем ЭСППЗУ, и шесть 16разрядных ЦАП;
● MAX1450 – упрощённый вариант формирователя сигналов (см. рис. 17 и 18), содержащий только аналоговый канал, без АЦП, ЦАП и ЭСППЗУ. Содержит подстраиваемый источник тока для возбуждения мостовых датчиков и трёхразрядный PGA, позволяющий компенсировать сдвиг постоянного уровня и его температурный уход, нелинейность передаточной характеристики и её температурное изменение для пьезорезистивных датчиков с помощью внешних подстраиваемых резисторов, потенциометров или ЦАП.
Аналоговый канал микросхемы MAX1450 является полностью дифференциальным и состоит из трёх последовательно соединённых каскадов: трёхразрядный PGA с величиной передачи, выбираемой из ряда 39, 65, 91, 117, 143, 169, 195, 221 В/В; суммирующая схема и выходной буфер с преобразованием дифференциального сигнала в однофазный. При этом PGA характеризуется следующими особенностями: КОСС = 90 дБ, диапазон допустимого синфазного сигнала от отрицательного (VSS) до положительного (VDD) напряжения питания; выводы A0, A1, A2 позволяют установить коэффициент передачи от 39 до 221 В/В с шагом 26.
Суммирующая схема предназначена для сдвига постоянного уровня напряжения (VOFFSET) и компенсации его температурного ухода (VOFFTC) с учётом знака сдвига (SOFF) и температурного изменения (SOTC). Выходной повторитель напряжения обеспечивает ток в нагрузке, равный 1 мА, на положительной и отрицательной полуволне выходного напряжения с ам
плитудой в пределах от VSS + 0,25 В до VDD – 0,25 В и диапазон выходного напряжения от VSS + 0,05 В до VDD – 0,05 В
в режиме холостого хода.
Управление питанием мостового датчика поясняет рисунок 18б. Напряжение на выводе FSOTRIM совместно с резистором RISRC устанавливает величину номинального тока IISRC, который определяет FSO. Величина IISRC при необходимости дополнительно изменяется внешними резисторами RSTC и RLIN. Резистор RSTC применяется для возвращения части напряжения питания моста (VBBUF) и компенсации температурного изменения FSO путём изменения тока питания моста в температурном диапазоне. Для компенсации нелинейности FSO возвращаемая часть выходного напряжения преобразуется в ток питания моста с помощью резистора RLIN. Подробно функционирование и выбор параметров внешних цепей рассмотрены в [26].
Основные характеристики описанных выше микросхем сведены в таблицу.
Выводы
Наиболее широкое применение находят датчики с выходным сигналом в виде амплитуды напряжения или тока, а также чувствительные ёмкостные и резистивные элементы, включённые в мостовые схемы. Интерфейс датчика должен обеспечить выполнение следующих функций:
● усиление переменного сигнала и сдвиг постоянного уровня напряжения для согласования диапазона выходных значений датчика с диапазоном входного напряжения устройства последующей обработки сигнала (АЦП);
● линеаризацию передаточной функции датчика;
● компенсацию температурного изменения характеристик системы «датчик – интерфейс»;
● ограничение полосы пропускания;
● защиту входа от перегрузки;
● обнаружение неисправности датчика.
Интерфейс удалённых датчиков целесообразно выполнять с дифференциальным входом и высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала, защитой входа от перегрузки выбросами напряжения и радиопомех. Особое внимание следует уделить правильному соединению шин нулевого потенциала и экранов.
Обработку сигналов чувствительных пьезоэлектрических элементов рекомендуется осуществлять с помощью зарядочувствительных усилителей, применение которых позволяет минимизировать влияние паразитной ёмкости монтажа и соединительных кабелей.
Несмотря на широкое распространение устройств обработки сигналов датчиков на основе ОУ, в ряде случа
ев значительное улучшение техникоэкономических параметров достигается при использовании специализированных микросхем интерфейсов датчиков.
Изученные микроэлектронные интерфейсы датчиков выполнены с дифференциальным входом, высоким входным сопротивлением и обычно содержат или допускают:
● ФНЧ с полосой пропускания, определяемой ёмкостью внешнего конденсатора;
● схему преобразования парафазного сигнала в однофазный;
● схему сдвига постоянного уровня напряжения;
● источник стабильного напряжения, предназначенный для задания режима работы внутрикристальных аналоговых блоков, внешней мостовой схемы или чувствительного пьезоэлектрического элемента. Желательно, чтобы в таком источнике было два уровня выходного напряжения – VCC, достаточный для питания аналоговых блоков, и VCC/2. В некоторых ИС возбуждение внешней мостовой схемы выполняется источником постоянного вытекающего тока;
● выходной буферный каскад, обеспечивающий необходимую нагрузочную способность, в том числе, при работе на емкостную нагрузку;
● встроенный датчик температуры (в некоторых устройствах);
● два последовательно соединённых каскада с программируемым коэффициентом передачи напряжения, обычно не более 10 000 В/В. Для оптимизации отношения сигнал/ шум следует первый каскад выполнять с двумя большими значениями коэффициента передачи (например, 40 и 200 В/В), а во втором каскаде предусматривать многоступенчатую регулировку;
● изменение коэффициента передачи напряжения осуществляется за счёт подключения КМОПключами различных резисторов в цепи обратной связи усилителей или путём использования каскадов с электронной регулировкой усиления и цифроаналоговых преобразователей;
● изменение уровня постоянного напряжения обычно обеспечивают суммирующие схемы и цифроаналоговые преобразователи;
● в некоторых ИС требуемый уровень изменяемых параметров вначале устанавливается программным способом, а потом фиксируется с помощью плавких поликремниевых перемычек.
Для микросхем интерфейсов рекомендуется обеспечить высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (не менее 80 дБ) и малый входной ток (не более 1 нА).
Литература
18. AD8555. ZeroDrift, Digitally Program
mable Sensor Signal Amplifier.
19. Могими Р. Инструментальный усилитель AD8555: измерительные системы на мостовых тензодатчиках становятся проще и совершеннее. Компоненты и технологии. 2005. № 2. С. 78.
20. MLX90314AB. Programmable Sensor In
terface (www.datasheetcatalog.org/datasheets2/50/507742_1.pdf).
21. Эннс В.И. Проектирование аналоговых КМОПмикросхем. Краткий справочник разработчика. Горячая линия – Телеком, 2005.
22. MLX90313. Programmable IR Sensor Interface.
23. LMP91050. Configurable AFE for Nondispersive Infrared (NDIR) Sensing Appli
cations. Texas Instruments (www.ti.com/
lit/ds/snas517c/snas517c.pdf).
24. User’s Guide for the LMP91050 Evaluation Board with Sensor AFE Software. Texas Instruments (www.ti.com/lit/ug/snau119/snau119.pdf).
25. New ICs Revolutionize The Sensor Interface. Maxim, AN695 (www.maximic.com/ appnotes/index.mvp/id/695).
26. Ракович Н. Формирователи сигналов датчиков Maxim. Компоненты и технологии. 2003. № 7. С. 82.
© СТА-ПРЕССЕсли вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
