高度集成的傳感器接口模擬前端如何簡化傳感器調(diào)理

　　傳感器用于各種消費和工業(yè)市場，從手機(jī)和平板電腦到精密檢測、距離測量、識別/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)可能就會讓您大吃一驚。例如，現(xiàn)今的洗衣機(jī)具有檢測電機(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)每個負(fù)載中衣物的重量確定每個負(fù)載的水位。傳感器和傳感器接口技術(shù)實現(xiàn)了當(dāng)今家電中的各種效率和安全功能。

　　模擬傳感器會產(chǎn)生電信號，通常非常小，夾雜著噪聲。在許多情況下，沒有兩個傳感器是一樣的，每個傳感器都攜帶它自己的獨特噪聲特點，并將它自己的偏移引入到信號路徑中。校準(zhǔn)系統(tǒng)、區(qū)分信號和噪聲并對其進(jìn)行放大對末端系統(tǒng)性能而言至關(guān)重要。模擬傳感器和數(shù)字信號處理之間是重要的電子接口，其會調(diào)理電信號，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)利用多個傳感器和傳感器類型，從而形成了對傳感器調(diào)理元件的更大需求。具有多個傳感器的系統(tǒng)需要多個級別的校準(zhǔn)和放大，以充分處理傳感器信號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放棄每個傳感器輸入的可變增益或可調(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的設(shè)計時間。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，功耗比競爭器件更低。XR10910 的獨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，并且具有補充當(dāng)今的微控制器 （MCU） 或具有嵌入式 ADC 的現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA） 的性能和功能集。圖 1 為 XR10910 的框圖。

　　圖1 XR10910 框圖

　　XR10910 是市場上唯一的傳感器接口 AFE 之一，提供與 16 個差分輸出傳感器連接的能力。連接到 XR10910 的每個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 個通道中的每一個都可以設(shè)置獨立的偏移。

　　可編程增益儀器放大器提供從 2V/V 到 760V/V 的 8 個可選增益，以放大信號從而使其落入下游 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 時為 35nV/√Hz），請參閱圖 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。

　　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

　　●集成 MUX、DAC、PGA 和 LDO 簡化了傳感器調(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

　　●易于使用的簡單的 I2C 接口

　　●6mm x 6mm QFN 封裝

　　●高通道計數(shù)簡化了電路板布局并節(jié)省了不動產(chǎn)占用

　　針對 16 個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用于應(yīng)力和壓力測量。XR10910 是多個橋式傳感器和 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（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 個橋式傳感器中每一個上的橋式偏移的能力。

　　XR10910 提供了與多達(dá) 16 個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。它的功能集在市場上真正獨一無二，添補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的數(shù)字和無線世界連接的方式方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。