高度集成的傳感器接口模擬前端如何簡(jiǎn)化傳感器調(diào)理

　　傳感器用于各種消費(fèi)和工業(yè)市場(chǎng)，從手機(jī)和平板電腦到精密檢測(cè)、距離測(cè)量、識(shí)別/圖像處理和過程儀表應(yīng)用。許多這些系統(tǒng)集成有多個(gè)模擬傳感器，從而使得器件更加智能、高效且多產(chǎn)。這些傳感器可以用于檢測(cè)壓力、溫度、應(yīng)力、位置、溫度、光線、液流、聲音、速度、熱等。

　　您家里的大家電所含的傳感器數(shù)可能就會(huì)讓您大吃一驚。例如，現(xiàn)今的洗衣機(jī)具有檢測(cè)電機(jī)電流、滾筒轉(zhuǎn)速、水位、水流、水溫、失衡、門打開/關(guān)閉，有的甚至采用觸摸傳感器按鈕進(jìn)行循環(huán)控制。高效直筒式洗衣機(jī)根據(jù)每個(gè)負(fù)載中衣物的重量確定每個(gè)負(fù)載的水位。傳感器和傳感器接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今家電中的各種效率和安全功能。

　　模擬傳感器會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，通常非常小，夾雜著噪聲。在許多情況下，沒有兩個(gè)傳感器是一樣的，每個(gè)傳感器都攜帶它自己的獨(dú)特噪聲特點(diǎn)，并將它自己的偏移引入到信號(hào)路徑中。校準(zhǔn)系統(tǒng)、區(qū)分信號(hào)和噪聲并對(duì)其進(jìn)行放大對(duì)末端系統(tǒng)性能而言至關(guān)重要。模擬傳感器和數(shù)字信號(hào)處理之間是重要的電子接口，其會(huì)調(diào)理電信號(hào)，以確保它位于下游 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的范圍內(nèi)。當(dāng)今的工業(yè)系統(tǒng)利用多個(gè)傳感器和傳感器類型，從而形成了對(duì)傳感器調(diào)理元件的更大需求。具有多個(gè)傳感器的系統(tǒng)需要多個(gè)級(jí)別的校準(zhǔn)和放大，以充分處理傳感器信號(hào)并將它們傳送到下游 ADC。我們的電子儀器和器件中傳感器使用的不斷擴(kuò)大增加了對(duì)更靈活、成本更低的傳感器接口解決方案的需求。

　　傳感器調(diào)理功能可以通過使用多個(gè)組件的離散解決方案獲取。在許多情況下，離散傳感器接口解決方案會(huì)放棄每個(gè)傳感器輸入的可變?cè)鲆婊蚩烧{(diào)偏移。離散解決方案往往比集成解決方案產(chǎn)生更高的功耗，需要更大的空間且具有更長(zhǎng)的設(shè)計(jì)時(shí)間。許多供應(yīng)商提供有集成傳感器接口模擬前端 （AFE）。大多數(shù)包括可在客戶的終端系統(tǒng)中復(fù)制的處理器，并且可能包括大多數(shù)應(yīng)用中不需要的高水平的數(shù)字處理和存儲(chǔ)保護(hù)，從而增加了成本。Exar 的 XR10910 傳感器接口 AFE 提供了成本更低的集成解決方案，它在很小的占用空間內(nèi)集成有高通道數(shù)和功能，功耗比競(jìng)爭(zhēng)器件更低。XR10910 的獨(dú)特功能集相比離散或其他 AFE 解決方案提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。

　　XR10910–16:1 傳感器接口 AFE

　　XR10910 傳感器接口包括 16:1 差分多路復(fù)用器、可編程增益儀表放大器、10 位偏移校正 DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）和 LDO（低壓差穩(wěn)壓器）。XR10910 的功能和特性由 I2C 接口控制，并且具有補(bǔ)充當(dāng)今的微控制器 （MCU） 或具有嵌入式 ADC 的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA） 的性能和功能集。圖 1 為 XR10910 的框圖。

　　圖1 XR10910 框圖

　　XR10910 是市場(chǎng)上唯一的傳感器接口 AFE 之一，提供與 16 個(gè)差分輸出傳感器連接的能力。連接到 XR10910 的每個(gè)傳感器都具有其自身的固有偏移，如果不進(jìn)行校準(zhǔn)排查可能會(huì)降低傳感器系統(tǒng)的靈敏度和整體性能。板載 DAC 將偏移引入到儀表放大器中，以校準(zhǔn)由傳感器生成的偏移電壓。16 個(gè)通道中的每一個(gè)都可以設(shè)置獨(dú)立的偏移。

　　可編程增益儀器放大器提供從 2V/V 到 760V/V 的 8 個(gè)可選增益，以放大信號(hào)從而使其落入下游 ADC 的輸入范圍內(nèi)。XR10910 甚至包括集成 LDO，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以用它來提供給傳感器供電的穩(wěn)定電壓。

　　XR10910 在 2.7V 至 5V 的電源范圍內(nèi)工作，提供了一個(gè)較廣的數(shù)字電源范圍（1.8V 至 5V）。它通常消耗 457uA 的電源電流，并提供休眠模式，將電源電流降至 45uA。

　　16 位本底噪聲性能

　　Exar 的 AFE 提供 14 位信號(hào)路徑線性度，并提供低峰間值噪聲 （2μVpp at G = 760） 和低輸入電壓噪聲（G = 760 時(shí)為 35nV/√Hz），請(qǐng)參閱圖 2 和 3。XR10910 的低噪聲性能結(jié)合低偏置電流能力（最大為 100pA）使得該 AFE 能夠與各種傳感器連接并與 3V 至 5V 16 位 ADC 完美配對(duì)。

　　圖2 輸入電壓噪聲與頻率

　　圖3 0.1Hz 至 10Hz RTI 電壓噪聲

　　XR10910 優(yōu)勢(shì)

　　●集成 MUX、DAC、PGA 和 LDO 簡(jiǎn)化了傳感器調(diào)理應(yīng)用

　　●相比大多數(shù)集成 AFE 解決方案實(shí)現(xiàn)了更大靈活性

　　●相比大多數(shù)集成解決方案功耗更低，相比離散解決方案功耗相同或更低

　　●易于使用的簡(jiǎn)單的 I2C 接口

　　●6mm x 6mm QFN 封裝

　　●高通道計(jì)數(shù)簡(jiǎn)化了電路板布局并節(jié)省了不動(dòng)產(chǎn)占用

　　針對(duì) 16 個(gè)橋式傳感器的低功耗傳感器接口解決方案

　　許多應(yīng)力和壓力傳感器利用構(gòu)建為惠斯通電橋電路的電阻元件，其通常稱為應(yīng)變儀。電橋中的電阻元件根據(jù)機(jī)械應(yīng)力更改阻力。應(yīng)變儀傳感器通常同時(shí)用于應(yīng)力和壓力測(cè)量。XR10910 是多個(gè)橋式傳感器和 ADC/MCU 或 FPGA 之間的易于使用的傳感器調(diào)理接口，如圖 4 中所示。

　　圖4 16:1 使用 XR109101 橋式傳感器接口

　　橋式傳感器具有差分輸出信號(hào)（VO+ 和 VO-）。理想情況下，空載的橋式輸出為零（VO+ 和 VO- 是相同的）。但是，不精確的電阻值會(huì)形成 VO+ 和 VO- 之間的差異。橋式偏移電壓可能非常巨大且在傳感器之間有所不同，從而降低系統(tǒng)精度。XR10910 提供使用板載 DAC 校準(zhǔn) 16 個(gè)橋式傳感器中每一個(gè)上的橋式偏移的能力。

　　XR10910 提供了與多達(dá) 16 個(gè)橋式傳感器連接的易于使用的解決方案。XR10910 僅消耗 457μA 的電源電流和僅 36mm2 的面積，為 16 個(gè)橋式傳感器提供了業(yè)界最小、功耗最低的接口。

　　結(jié)論

　　XR10910 將成為 Exar 不斷增長(zhǎng)的易用傳感器接口產(chǎn)品系列的領(lǐng)頭羊。它的功能集在市場(chǎng)上真正獨(dú)一無二，添補(bǔ)了功能較不豐富的離散解決方案，和包含處理能力的單芯片傳感器接口 AFE 之間的空白。相比這兩者，XR10910 提供了更高的通道計(jì)數(shù)、更低的功耗和更小的占用空間。

　　傳感器和傳感器技術(shù)將繼續(xù)集成到我們每天使用的越來越多的電子產(chǎn)品中。XR10910 等傳感器調(diào)理產(chǎn)品將繼續(xù)在這些傳感器接口與我們不斷增長(zhǎng)的數(shù)字和無線世界連接的方式方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。