Особенности аналоговых интерфейсов датчиков. Часть 2

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(V_DD – V_SS) и изменяется пропорционально суммарному напряжению питания V_DD – V_SS. 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 электрически-стираемом 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 МОП-транзистора – током;
• ослабить влияние входной перегрузки стандартными цепями ESD-защиты КМОП- схем [21].

Программируемый интерфейс для ик-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 рисунке 15); 12-разрядный АЦП в каждом канале; схему линеаризации; различные типы выходных каскадов для обоих каналов, в том числе: 12-разрядный 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 «ИК-термометра» 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 T_INP и T_INN, осуществляется с помощью источника тока, величина которого определяется сопротивлением внешнего резистора между выводами C_REF и V_CC и масштабирующим коэффициентом в диапазоне от 1/7 до 1. Напряжение на выводе C_REF 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 ИК-датчика 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 НЧ-фильтрации сигнала с помощью внешних цепей, соединённых с выводами микросхемы A0 и A1;
• конфигурирование ИС и установка требуемых параметров осуществляется через встроенный интерфейс SPI и при необходимости через программно-аппаратный 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 аналого-цифрового формирователя сигналов датчиков включает аналоговый канал обработки сигнала датчика, четыре 12-разрядных 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 кусочно-линейной передаточной характеристики ИС из 120 сегментов. В отличие от MAX1458, он содержит 12-разрядный АЦП, который оцифровывает информацию датчика для хранения во внешнем ЭСППЗУ, и шесть 16-разрядных 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 (V_SS) до положительного (V_DD) 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 (V_OFF-SET) и компенсации его температурного ухода (V_OFFTC) с учётом знака сдвига (S_OFF) и температурного изменения (S_OTC). Выходной повторитель напряжения обеспечивает ток в нагрузке, равный 1 мА, на положительной и отрицательной полуволне выходного напряжения с амплитудой в пределах от V_SS + 0,25 В до V_DD – 0,25 В и диапазон выходного напряжения от V_SS + 0,05 В до V_DD – 0,05 В в режиме холостого хода.

Управление питанием мостового датчика поясняет рисунок 18б. Напряжение на выводе FSO_TRIM совместно с резистором R_ISRC устанавливает величину номинального тока I_ISRC, который определяет FSO. Величина I_ISRC при необходимости дополнительно изменяется внешними резисторами R_STC и R_LIN. Резистор R_STC применяется для возвращения части напряжения питания моста (V_BBUF) 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 R_LIN. 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 случаев значительное улучшение технико-экономических 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 – V_CC, достаточный для питания аналоговых блоков, и V_CC/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 КМОП-ключами различных резисторов в цепи обратной связи усилителей или путём использования каскадов с электронной регулировкой усиления и цифро-аналоговых преобразователей;
• изменение уровня постоянного напряжения обычно обеспечивают суммирующие схемы и цифро-аналоговые 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. Zero-Drift, Digitally Programmable 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 Interface (www.datasheetcatalog.org/datasheets2/50/507742_1.pdf).
21. Эннс В.И. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика. Горячая линия – Телеком, 2005.
22. MLX90313. Programmable IR Sensor Interface.
23. LMP91050. Configurable AFE for Nondispersive Infrared (NDIR) Sensing Applications. 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.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/695).
26. Ракович Н. Формирователи сигналов датчиков Maxim. Компоненты и технологии. 2003. № 7. С. 82.

© СТА-ПРЕСС