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高度集成的传感器接口模拟前端简化了传感器调理

Debbie Brandenburg?? 2016年05月26日 ?? 收藏0
传感器用于各种消费和工业市场,从手机和平板电脑到精密检测、距离测量、识别/图像处理和过程仪表应用。许多这些系统集成有多个模拟传感器,从而使得器件更加智能、高效且多产。这些传感器可以用于检测压力、温度、应力、位置、温度、光线、液流、声音、速度、热等。您家里的大家电所含的传感器数可能就会让您大吃一惊。例如,现今的洗衣机具有检测电机电流、滚筒转速、水位、水流、水温、失衡、门打开/关闭,有的甚至采用触摸传感器按钮进行循环控制。高效直筒式洗衣机根据每个负载中衣物的重量确定每个负载的水位。传感器和传感器接口技术实现了当今家电中的各种效率和安全功能。

模拟传感器会产生电信号,通常非常小,夹杂着噪声。在许多情况下,没有两个传感器是一样的,每个传感器都携带它自己的独特噪声特点,并将它自己的偏移引入到信号路径中。校准系统、区分信号和噪声并对其进行放大对末端系统性能而言至关重要。模拟传感器和数字信号处理之间是重要的电子接口,其会调理电信号,以确保它位于下游 ADC(模数转换器)的范围内。当今的工业系统利用多个传感器和传感器类型,从而形成了对传感器调理元件的更大需求。具有多个传感器的系统需要多个级别的校准和放大,以充分处理传感器信号并将它们传送到下游 ADC。我们的电子仪器和器件中传感器使用的不断扩大增加了对更灵活、成本更低的传感器接口解决方案的需求。

传感器调理功能可以通过使用多个组件的离散解决方案获取。在许多情况下,离散传感器接口解决方案会放弃每个传感器输入的可变增益或可调偏移。离散解决方案往往比集成解决方案产生更高的功耗,需要更大的空间且具有更长的设计时间。许多供应商提供有集成传感器接口模拟前端 (AFE)。大多数包括可在客户的终端系统中复制的处理器,并且可能包括大多数应用中不需要的高水平的数字处理和存储保护,从而增加了成本。Exar 的 XR10910 传感器接口 AFE 提供了成本更低的集成解决方案,它在很小的占用空间内集成有高通道数和功能,功耗比竞争器件更低。XR10910 的独特功能集相比离散或其他 AFE 解决方案提供了更大的设计灵活性。

XR10910–16:1 传感器接口 AFE

XR10910 传感器接口包括 16:1 差分多路复用器、可编程增益仪表放大器、10 位偏移校正 DAC(数模转换器)和 LDO(低压差稳压器)。XR10910 的功能和特性由 I2C 接口控制,并且具有补充当今的微控制器 (MCU) 或具有嵌入式 ADC 的现场可编程门阵列 (FPGA) 的性能和功能集。图 1 为 XR10910 的框图。

图1 XR10910 框图
图1 XR10910 框图

XR10910 是市场上唯一的传感器接口 AFE 之一,提供与 16 个差分输出传感器连接的能力。连接到 XR10910 的每个传感器都具有其自身的固有偏移,如果不进行校准排查可能会降低传感器系统的灵敏度和整体性能。板载 DAC 将偏移引入到仪表放大器中,以校准由传感器生成的偏移电压。16 个通道中的每一个都可以设置独立的偏移。

可编程增益仪器放大器提供从 2V/V 到 760V/V 的 8 个可选增益,以放大信号从而使其落入下游 ADC 的输入范围内。XR10910 甚至包括集成 LDO,系统设计人员可以用它来提供给传感器供电的稳定电压。

XR10910 在 2.7V 至 5V 的电源范围内工作,提供了一个较广的数字电源范围(1.8V 至 5V)。它通常消耗 457uA 的电源电流,并提供休眠模式,将电源电流降至 45uA。

16 位本底噪声性能

Exar 的 AFE 提供 14 位信号路径线性度,并提供低峰间值噪声 (2μVpp at G = 760) 和低输入电压噪声(G = 760 时为 35nV/√Hz),请参阅图 2 和 3。XR10910 的低噪声性能结合低偏置电流能力(最大为 100pA)使得该 AFE 能够与各种传感器连接并与 3V 至 5V 16 位 ADC 完美配对。

图2 输入电压噪声与频率
图2 输入电压噪声与频率

图3 0.1Hz 至 10Hz RTI 电压噪声
图3 0.1Hz 至 10Hz RTI 电压噪声

XR10910 优势

●集成 MUX、DAC、PGA 和 LDO 简化了传感器调理应用

●相比大多数集成 AFE 解决方案实现了更大灵活性

●相比大多数集成解决方案功耗更低,相比离散解决方案功耗相同或更低

●易于使用的简单的 I2C 接口

●6mm x 6mm QFN 封装

●高通道计数简化了电路板布局并节省了不动产占用

针对 16 个桥式传感器的低功耗传感器接口解决方案

许多应力和压力传感器利用构建为惠斯通电桥电路的电阻元件,其通常称为应变仪。电桥中的电阻元件根据机械应力更改阻力。应变仪传感器通常同时用于应力和压力测量。XR10910 是多个桥式传感器和 ADC/MCU 或 FPGA 之间的易于使用的传感器调理接口,如图 4 中所示。

图4 16:1 使用 XR109101 桥式传感器接口
图4 16:1 使用 XR109101 桥式传感器接口

桥式传感器具有差分输出信号(VO+ 和 VO-)。理想情况下,空载的桥式输出为零(VO+ 和 VO- 是相同的)。但是,不精确的电阻值会形成 VO+ 和 VO- 之间的差异。桥式偏移电压可能非常巨大且在传感器之间有所不同,从而降低系统精度。XR10910 提供使用板载 DAC 校准 16 个桥式传感器中每一个上的桥式偏移的能力。

XR10910 提供了与多达 16 个桥式传感器连接的易于使用的解决方案。XR10910 仅消耗 457μA 的电源电流和仅 36mm2 的面积,为 16 个桥式传感器提供了业界最小、功耗最低的接口。

结论

XR10910 将成为 Exar 不断增长的易用传感器接口产品系列的领头羊。它的功能集在市场上真正独一无二,添补了功能较不丰富的离散解决方案,和包含处理能力的单芯片传感器接口 AFE 之间的空白。相比这两者,XR10910 提供了更高的通道计数、更低的功耗和更小的占用空间。

传感器和传感器技术将继续集成到我们每天使用的越来越多的电子产品中。XR10910 等传感器调理产品将继续在这些传感器接口与我们不断增长的数字和无线世界连接的方式方面发挥关键作用。


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模拟传感器? 数字信号处理?

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