Интегрални схеми за обработка на сигнали от сензори

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2011

Едва ли има област от съвременната техника, в която да не се използват сензори, като получените от тях сигнали задължително се обработват по подходящ начин за подаване на измервателни и управляващи устройства, записване или предаване на разстояние. Това изисква наличието на съответните електронни блокове за обработка на сигнали от сензори (Sensor Signal Conditioner) SSC, чието разнообразие непрекъснато нараства. Те трябва да имат голяма надеждност, ниска постояннотокова консумация и малки размери, което налага реализацията им като интегрални схеми (ИС), на които е посветена статията. В огромната си част това са специализирани ИС, предназначени за определен тип или няколко типа сензори, като класификацията им в материала е направена в зависимост от вида на изходния сигнал, който може да е аналогов или цифров. Освен за обработка на сигнали, SSC често имат допълнителни функции, например за осигуряване на работния режим на сензорите и частично компенсиране на някои техни недостатъци.

SSC с напрежителен изход

Това е най-голямата група SSC с аналогов изход, която включва няколко разновидности в зависимост от вида на сензорите. Първата са предназначените за свързване на Уитстонов мост, съдържащ от 1 до 4 сензора със съпротивление, зависещо от измерваната величина и захранван с неизменно напрежение UB или неизменен ток IB. Възможните свързвания са показани на фиг. 1, като сензорът е означен с R+DR. Схемата на фиг. 1а се използва най-често за измерване на температура с линеаризирани термистори или съпротивителни температурни прибори (Resistance Temperature Devices) RTD и на механични деформации с тензорезистори (Strain Gage), като между точка А и маса се свързва захранващият източник. Напрежението UB в измервателния диагонал не е линейна функция на DR/R, което се оценява чрез грешката в линейността (Linearity Error) LE на моста с относителна стойност приблизително равна на 0,5DR/R при захранване с напрежение и два пъти по-малка при захранване с ток. Схемата на фиг. 1б използва два еднакви сензора, монтирани така, че съпротивлението им да се променя от физичната величина в една и съща посока. Изходното напрежение е 2 пъти по-голямо в сравнение с предната (мостът има 2 пъти по-голяма чувствителност, Sensitivity, SB), стойността на LE при захранване с напрежение е същата, а при захранване с ток е 0. В моста на фиг. 1в съпротивлението на сензорите трябва да се изменя в противоположни посоки, а LE е 0 независимо от вида на захранването. В моста на фиг. 1г съпротивленията на сензорите горе вдясно и долу вляво трябва да се изменят в една посока, а другите два – в обратна посока, чувствителността е 4 пъти по-голяма от схемата на фиг. 1а и LE = 0. Мостовете могат да работят и с магниторезистори, пиезорезистивни сензори и сензори за влажност. Чувствителността представлява отношение на максималното UB в mV и напрежението между точка А и маса във V, което определя мерната единица mV/V.
За увеличаване на чувствителността напрежението UB се подава на измервателен усилвател, почти винаги с програмируем коефициент на усилване (Programmable Gain Amplifier) PGA и несиметричен (както е показано на фиг. 2) или диференциален изход. Често последният е снабден с линейни драйвери за връзка на ИС с двупроводна линия, обикновено имаща характеристично съпротивление 100-120 W. При коефициент на усилване G на PGA, чувствителността на комбинацията мост-SSC е S=GxSB. При класическото свързване на изхода на ИС, известно като нерадиометричен изход (Nonradiometric Output), изходното напрежение зависи не само от UB, но и от захранващото напрежение UCC на ИС. За избягване на последната зависимост, която води до грешка, то трябва да е добре стабилизирано. В батерийни, автомобилни и някои индустриални системи се предпочита радиометричен изход (Radiometric Output), при който изходното напрежение на PGA се подава на радиометричен аналоговоцифров преобразувател, чието изходно число не зависи от UCC. То чрез цифровоаналогов преобразувател се преобразува обратно в напрежение.
Зависимостта на изходното напрежение на PGA от температурата му (offset) въвежда грешка при измерването. Пример за компенсирането й е даден на фиг. 2, където с прекъсната линия са оградени блоковете на ИС. Чрез сензор за температура TS, вграден в ИС, се формира пропорционално на температурата напрежение, то се преобразува от аналоговоцифровия преобразувател ADC в число, като някои производители наричат комбинацията TS+ADC преобразувател температура - напрежение (Temperature-to-Digital Converter). Числото се сравнява в паметта МЕМ (EEPROM или Flash) с данни от таблица и се формира друго число, което чрез цифровоаналоговия преобразувател IRQDAC създава компенсиращо напрежение, сумирано в S с UB.
Температурата влияе и върху G на PGA грешката, поради което може да се компенсира като захранващото напрежение или ток на моста се направят зависими от температурата. Това се постига чрез генериране от паметта на друго число, което чрез BDAC се преобразува в постоянно напрежение и то чрез блока BS осигурява захранването на моста. Чрез управляващия блок CPU и интерфейса I (обикновено някой от стандартните) се осигурява връзката на ИС с други блокове и устройства при скорост на обмен на данните от няколко kbps до няколко десетки kbps. В каталозите на ИС се дават подробно описание на структурата на МЕМ и управляващия блок и командите за работата им. Осцилаторът OSC осигурява работата на МЕМ, другите цифрови блокове и обменът по интерфейса I, като честотата му е няколко MHz.
Схемата на фиг. 2 дава идея за структурата на едноканален SSC, като в някои от реалните ИС тя може да е различна, включително да съдържа допълнителни блокове. Например за разширяване на приложенията в немалко ИС се вграждат един или два операционни усилвателя със самостоятелни входове и изходи. За едновременното обработване на сигнали от няколко моста се използват SSC с повече канали, чиито брой достига до 8. В табл. 1 са дадени основни параметри на няколко характерни ИС, като тази в ред 1 е предвидена за работа с външна EEPROM.
Втора разновидност са SSC за измерване на температура, част от които са мостовите, използващи като сензор термистори или RTD. Освен това се използват ИС, включващи SSC и сензор на основата на температурната зависимост на напрежението база-емитер на биполярни транзистори. Те осигуряват постоянно напрежение с линейна зависимост от температурата и имат като основен параметър температурния коефициент (Scale Factor, Temperature Sesitivity) SF, представляващ промяната на изходното напрежение при изменение на температурата с 1 °С. Патентованата структура на МСР9700 на Microchip е 3- или 5-изводна ИС позволяваща измерване на температура между -40 и +150 °С с SF=10 mV/°С и грешка ±2 °С. Захранването е 2,3-5,5 V при консумация 6 mA, а малкият изходен импеданс позволява работа с товари с голям капацитет. Други примери са ТМР36 на Analog Devices с SF=10 mV/°С в температурен обхват от -40 до +125 °С, типична грешка ±2 °С и UCC=2,7-5,5 V, от което се консумират 50 mA, и ТМР20 на Texas Instruments с SF=11,8 mV/°С в температурен обхват от -55 до +130 °С, типична грешка ±2,5 °С и същото UCC, но с консумация 2,6 mA. Към тях се прибавя DS600 на MAXIM с SF=6,45 mV/°С в обхват от -40 до +125°С, типична грешка ±0,75°С и UCC=2,7-5,5 V при максимална консумация 0,14 mA.
Температури в границите от -270 до +1700 °С могат да се измерват с термодвойки  от различен  тип, всеки от които е за част от този обхват и ползва определен вид ИС на SSC. Тяхното напрежение е твърде малко (стойността на SF е около 10 mV/°C) и зависи нелинейно от температурата, а самото измерване реално представлява сравняване на напрежението на измерващата термодвойка и на такава, поставена при 0 °С (задължително условие, следващо от ефекта на Зеебек). Последното е очевидно неудобство и избягването се постига чрез специфична структура на SSC, идея за която е дадена на фиг. 3а. Измерващата термодвойка се свързва на входа IN, напрежението й се усилва от G1 и се подава на суматора S. Блокът СТ създава постоянно напрежение, което "имитира" това от термодвойката при 0 °С, усилва се от G2 и също се подава на суматора. Разликата на двете напрежения допълнително се усилва от G3 за осигуряване на достатъчен SF на комбинацията термодвойка-SSC, а поради споменатата нелинейна зависимост в каталозите на SSC се дава таблица с типичните стойности на изходното им напрежение при различни температури. Пример за ИС на SSC е AD597, предназначена за термодвойки тип К (обхват –200 ё +1250 °С), с типичен SF=10 mV/°C и грешка на измерването ±4 °С. Захранва се с напрежение +5 ё +30 V, от което консумира 0,16 mA. Специфична е LT1025 на Linear Technology, чието изходно напрежение замества термодвойката при 0 °С. Тя има изходи за свързване на термодвойки тип E, J, K, R, S и Т в съответствие със схемата на фиг. 3б, където TD е измерващата термодвойка, а А е усилвател за осигуряване на желания SF, например 10 mV/°С.
Трета разновидност са SSC за работа с променливи диференциални трансформатори за измерване на линейни премествания (Linear Variable Differential Transformer) LVDT и на ъгъл на завъртане (Rotary Variable Differential Transformer) RVDT. Тъй като те могат да са с 4 или 5 извода, съществуват съответните видове SSC. Заградената с прекъсната линия част на фиг. 4 представлява структурата на SSC за 5-изводни трансформатори. Генераторът OSC (напрежение между няколко V и няколко десетки V и честота от няколко десетки Hz до няколко десетки kHz) и усилвателят А1 осигуряват между изводи 1 и 2 необходимото напрежение за първичната намотка на трансформатора. Променливите напрежения в неговите две вторични намотки (U3 между изводи 3 и 4 и U5 между 5 и 4) са пропорционални на механичното преместване d на сърцевината и чрез преобразувателя CONV се получава постоянно напрежение, пропорционално на (U3-U5)/(U3+U5) със стойност до няколко десетки V, което се филтрира от F и усилва от А2. Изходното напрежение Uo зависи линейно от d, като в каталога на SSC се дава съответният израз. Той има вида Uo=IRSd, където I е задаваният от SSC ток през резистора R и S е чувствителността на трансформатора. Пример за SSC е AD598 с максимално Uo, равно на ±11 V, което се използва за изчисляване на R така, че с даден трансформатор да се осигури желано dmax. Има двойно захранване между ±6,5 V и ±13 V при консумация 12 mA.
За трансформатори с 4 извода (без извод 4 от фиг. 4) се използват SSC с подобна структура, но CONV осигурява Uo, пропорционално на U3/U5. Пример е AD698 със захранване и консумация както на AD598.
За измерване на магнитна индукция В, най-често създавана от преместването на постоянен магнит, се използват ИС с SSC и вграден сензор на Хол. Тяхното постоянно изходно напрежение зависи линейно от В, а основният им параметър е чувствителността S, представляваща неговата промяна при изменение на В с 1G или 1mТ. Примери са AD22151 с S=0,4 mV/G и TLE490 на Infineon, чиято S може да се програмира на 8 стойности между 14 mV/mT и 140 mV/mT.
Друг тип са SSC за електрохимични сензори, най-вече такива за измерване на съдържанието на определен газ в дадена смес. За работата на сензорите е необходимо постоянно напрежение, осигурявано от блок на SSC, а техният ток IS (пропорционален на съдържанието на газа) се преобразува от усилвател на импеданс в постоянно изходно напрежение Uo=RtIS, където Rt е предавателното съпротивление на усилвателя. Пример е LMP91000 на National Semiconductor за работа с 2- и 3-полюсни сензори, на които се осигурява IS до 10mA, а усилвателят е със 7 програмируеми стойности на Rt между 2,75kW и 350kW. Работата на SSC се управлява чрез интерфейса I2C, а захранването и с UCC между 2,7 и 5,25 V при консумация между 6,2 mA и 14,9 mA в зависимост от използвания сензор.
Типичен пример за ИС на акселерометър е ММА2260 на Freescale, която включва сензор и SSC и може да измерва ускорение в обхват ±1,5 g при линейна зависимост на изходното напрежение от него и чувствителност 1,2 V/g. При липса на ускорение изходното напрежение е 2,5 V, захранването е с 4,75-5,25 V при консумация 2,2 mA.
Съществуват и ИС за измерване на налягане, пример за каквато е MPX4250D - също на Freescale, съдържаща патентован пиезорезистивен сензор и SSC. Изходното й напрежение зависи линейно от налягането и достига максималната си стойност от 4,9 V при 250 kPa. Захранващото напрежение е 4,85 - 5,35 V при консумация 7 mA.

SSC с токов изход

Този тип SSC се използват сравнително рядко, защото изходният им ток Io трябва да се преобразува в напрежение, с което схемата на SSC се усложнява. Изходното им съпротивление е голямо, те имат поведение на източник на ток и най-често между изхода им и маса се свързва резистор R за получаване на напрежение Uo = RIo. Пример за измерване на температура е ТМР17 с вграден сензор и SSC, измервателен обхват от -40 до +125 °С и максимална грешка ±2,5 °С. Изходният ток нараства линейно с температурата, а чувствителността е 1 mA/°C. За измерване на интензитета Е на светлината в границите от 3 до 70 000 lx може да се използва APDS-9007 на Avago Technologies, съдържаща SSC и фотодиод със спектрална характеристика, практически съвпадаща с тази на човешкото око. Изходният ток е логаритмична функция на Е, като се променя между 5 и 45 mA, захранващото напрежение е 2-3,6 V при консумация 0,23 mA. С линейна зависимост Io(E) е APDS-9800 на същия производител, като Е може да е между 10 и 1100 lx при захранване 2,4-3,6 V и консумация 0,5 mA. Освен блока за осигуряване на Io, в ИС са вградени PIN фотодиод като сензор за приближение и SSC с примерно приложение за автоматично изключване на дисплея на мобилен телефон при приближаването му към ухото.

SSC с цифров изход

Изходът е последователен и почти винаги е един или два от стандартните интерфейси, а в зависимост от вида на сензорите и измерваните величини има 3 основни разновидности. Първата са SSC за свързване на външен Уитстонов мост с основна структура на фиг. 5. Чрез мултиплексора MUX един от входовете се свързва към PGA. В SSC с един вход също може да има MUX за периодично включване на PGA към калибриращо напрежение. Преобразуваното от ADC напрежение се подава на управляващия блок СВ, който често съдържа и EEPROM. Чрез него се програмира усилването на PGA, осигурява се захранващото напрежение на мостовете и се осъществява непрекъсната калибровка за повишаване на точността на измерване. Буферът IB формира изходния сигнал за съответния интерфейс.
Първият пример е ZSC31014 на ZMDI с един вход за мостове със съпротивление между 200 W и 100 kW, PGA с 8 стойности на коефициента на усилване и 14-разреден ADC. Осигурено е измерването на температурата на самата ИС с вграден в нея мостов сензор и температурата на външния мост. Интерфейсът е I2C, а захранващото напрежение е 2,7-5,5 V при максимална консумация 2 mA. На същия производител е интегралната схема ZSCI21013 за едновременно измерване с 3 моста, 16-разреден аналоговоцифров преобразувател, интерфейс SPI и захранване 2,2 - 5,5 V.
Втората разновидност са SSC за измерване на температура, като в зависимост от мястото на използвания сензор има 2 основни типа. Първият и вероятно най-масово разпространен е цифровият термометър (Digital Temperature Sensor, Temperature-to-Digital Converter), представляващ ИС с диоден сензор (използва се температурната зависимост на напрежението върху отпушен PN-преход) и SSC и имащ типичната структура на фиг. 6. Напрежението на сензора DTS се преобразува от ADC, за работата на който е необходимо постоянно опорно напрежение от REF. Полученото число се запомня в регистъра TREG, след което блокът IB формира сигнала на интерфейса. Изходът Alert е в значителна част от ИС и на него се получава определено логическо ниво, когато измерваната температура надхвърли или намалее под дадена стойност, обикновено програмируема. Прието е 0 в старшия разред на изходното число на ADC да означава положителна температура, а 1 - отрицателна температура.
В табл. 2 са дадени основните параметри на цифрови термометри, като разрешаващата способност означава на колко °С съответства младшият разред на числото на ADC. При използването на цифровите термометри разредността може да се намалява чрез пренебрегване на част от младшите разреди на числото, при което разрешаващата способност намалява. Като грешка е дадена стойността в целия температурен обхват, докато в определени по-тесни граници тя може да е значително по-малка. Термометърът в ред 5 съответства на нормите JC2.4-TSE2002B3 и JC2.4-TSE3003B3 за контрол на температурата на платки с памети. С изход Alert са ИС от редове 1, 3 и 5 - 7.
Вторият тип са термометрите с външен сензор, който най-често представлява маломощен NPN или PNP със свързани накъсо база и колектор. Те отново са реализирани по схемата на фиг. 6, като в ИС на SSC липсва блокът DTS. Самите сензори могат да са самостоятелни транзистори или вградени в микропроцесори, програмируеми логически матрици (FPGA), специфични интегрални схеми (ASIC), такива за обработка на графика (GPU) и други. В табл. 3 са дадени основните параметри на няколко SSC, като се има предвид, че по принцип температурният обхват на измерване (колона 4) и работният температурен обхват на самата ИС (последната колона) могат да са различни. Тези с повече от един външни сензори могат да измерват температурата на различни места и именно грешката от това измерване е посочената в табл. 3. Дадените SSC в редове 1, 3 и 4 измерват и собствената си температура, три от каналите на тази в ред 3 са за диодни сензори, а другите три – за термистори тип NTC. Особеност на SSC от ред 5 е собственият адрес от 3-разредно число, който позволява към шината на интерфейса да се свързват до 8 SSC. Пример за свързването на този тип термометри е даден на фиг. 7, като трите резистори R са поставени заради трите изхода с отворен дрейн, захранването се филтрира с RF-CF и CD не позволява проникването на шумове във входа Temp.
Към този тип спада и МАХ6682 на МAXIM, предназначена за измерване на температури 0 – 50 °С с един външен термистор NTC. Грешката е ±0,125 °С, правят се две измервания в секунда, интерфейсът е SPI,  а консумацията е 21 mA при захранващо напрежение 3 - 5,5 V. Със същия интерфейс, но с вход за термодвойка тип К и с вграден блок за симулиране на термодвойката с 0 °С е МАХ6675. Разрешаващата способност е 0,25 °С, измерването в обхвата 0-700 °С е с грешка до ±2,25 °С, а при 700-1000 °С тя е до ±4,75 °С. Температурата се преобразува в 12-разредно число, интерфейсът е SPI, а захранването е с 3-5,5 V при консумация 0,7 mA.
Третата разновидност условно може да бъде наречена "други SSC", тъй като не включва вече разгледаните, а разделянето на типове се прави според вида на измерваната величина. Първият тип са ИС с вградени фотодиоди и SSC за измерване на интензитета Е на светлината (Light-to-Digital Ambient Light Photo Sensor) и са предназначени основно за автоматично регулиране на подсветката на дисплеи в зависимост от околната светлина, на осветителни тела (за подържане на определена осветеност в помещения) и индикаторни табла. Основната структура на фиг. 8 съдържа обикновен фотодиод VIRD и такъв за инфрачервени лъчи IRD. Поради своята характеристика първият реагира и на част от невидимия за човешкото око инфрачервен спектър, който е особено силно застъпен в слънчевата светлина и тази от лампите с нажежаема нишка. Поради това токът на VIRD не е пропорционален само на видимата светлина и за получаване на електрически сигнал, зависещ само от нея е прибавен IRD. След преобразуването от ADC1 и ADC2 на токовете на двата фотодиода в числа те се изваждат в IB в съответствие със специални изрази (обикновено давани в каталозите) и резултатът съответства само на Е на видимата светлина.
Друга функция на IB е да формира изходните числа в съответствие с някой или някои от последователните интерфейси. Пример е APDS-9301 на Avago Technologies с 16-разредни ADC1 и ADC2, интерфейс I2C и захранване с 2,7-3,6  при консумация 0,24 A. Аналогична е APDS-9303, но тя е с интерфейса SMBus. Последният пример е МАХ9635 на MAXIM също с 16-разредни ADC1 и ADC2, като измерва Е между 45 mlux и 188 000 lux. Интерфейсът е I2C, а захранването 1,7-3,6 V при консумация 0,65 mA.
Втори тип са ИС за измерване на налягане, които съдържат сензор (Уитстонов мост с пиезорезистори или MEMS) и SSC. Последният е с класическа структура – PGA, аналоговоцифров преобразувател (АЦП), блок за захранване на моста и блок IB за формиране на изходните числа в съответствие с желания интерфейс. За компенсация на влиянието на температурата е вграден и сензор за температура, а в IB има памет с корекционни коефициенти. Основните приложения са за преносими барометри и висотомери и за вграждане в GPS устройства и спортни часовници. Пример е MPL015A2 на Freescale с обхват 50-115 kPa, грешка ±1 kPa и разделителна способност 0,15 kPa. Тя има 16-разреден АЦП, интерфейс I2C и захранване 2,375-5,5 V при консумация 5 mA. Друга ИС е LPS001WP на ST Microelectronics с обхват 30-110 kPa, грешка ±2,5 kPa и разделителна способност 0,0625 kPa. Използва АЦП със същата разредност, но интерфейсите са SPI и I2C, а захранването е 2,2-3,6 V при консумация 190 mA.
Трети тип са капацитивните SSC (Capacitive SSC), на чийто вход се свързват сензори за измерване на механични премествания, налягане, ускорение, ниво на течности и други, преобразуващи съответната величина в капацитет. Пример за такъв SSC е ZSC31210 на ZMDI, предназначен за капацитети С0 между 2 и 260 pF. Входният му блок е преобразувател капацитет-число (Capacitance-to-Didital Converter) с изходно двоично число M=2n(C0 - COFF)/CREF, където n е неговата разредност и съответно тази на преобразувателя, COFF и CREF са вградени капацитети съответно за осигуряване на М=0 при С0=0 и опорен (преобразувателят измерва отношение на капацитети). Стойността на n се програмира на 8, 10, 12 и 14, при което времето за измерване е между 0,7 и 18,5 ms. Разделителната способност (капацитетът, предизвикващ промяна на М с 1) също зависи от n, но и от избрания обхват и е в границите от 0,125 fF и 1 pF. Изходът на SSC е в съответствие с интерфейсите SPI и I2C, а захранването е 2,3-5,5 V при консумация 750 mA.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top