Съвременни интегрални схеми за обработка на сигнали от сензори

Стефан Куцаров

Продължаващите да нарастват приложения на сензорите, заедно с необходимостта все по-често да се вграждат в прибори с малки размери, налага обработката на техните сигнали (Sensor Signal Conditioning, SSC) да се прави чрез миниатюрни електронни схеми. От техните два основни вида - интегрални схеми (ИС) и модули, в статията се разглеждат ИС, но се дават и примери за елементи, позволяващи реализацията на модули с размери, приближаващи се до тези на ИС.

Реално съществуват три групи ИС за SSC, като първата и най-разпространена са специализираните за обработка на сигналите от един или няколко типа сензори. Втората група са усилватели с аналогов изход за измерваната величина, които по принцип могат да се използват и в други приложения, а третата са ИС, съдържащи сензорите заедно с електрониката за SSC, чийто неголям засега относителен дял вероятно ще нараства през следващите години. В сп. “Инженеринг ревю” въпросите за SSC вече бяха разглеждани в статията “Интегрални схеми за обработка на сигнали от сензори” от бр. 3/2011 г., поради което тук се отделя внимание на новостите след 01.01.2012 г.

Същност на SSC
Специализирани SSC. Независимо от голямото разнообразие на сензори и съответстващите от това различия в схемите им за SSC, принципът на действие на тези от първата група може да се изясни чрез обобщената блокова схема на фиг. 1, предназначена за цифрова обработка.
Първата функция на стъпалото F/A е чрез подходящ филтър да отдели от сигнала на свързания на входа In сензор нежелано съпътстващите го смущения, например шумове. 

В зависимост от честотната лента на полезния сигнал от сензора филтърът може да е нискочестотен, високочестотен, лентов или заграждащ, а за осигуряване на останалите параметри да е пасивен или активен. Втората част на стъпалото е усилвател за осигуряване на достатъчна амплитуда на сигнала за обработване. За превръщането му в поредица от двоични числа е аналогово-цифровият преобразувател ADC, като най-често се използват АЦП с последователно приближение (Successive Approximation) и сигма-делта (Sigma-delta) с разрешаваща способност съответно до 16b и 24b, а при 24b се предпочитат АЦП със самокалибровка (Auto-Calibration Mode ADC). 

За бързи сигнали по-добри са стъпалните (Pipeline ADC) и Flash ADC. Тъй като при повечето сензори зависимостта на изходния сигнал от измерваната величина е нелинейна, във висококачествените АЦП нараства използването на линеаризация, чрез която се избягват класическите донастройки чрез външни елементи.

Предпочитаните съвременни типове АЦП са с малка постояннотокова консумация и захранващи напрежения не по-големи от ±5V, което по принцип увеличава уязвимостта към смущаващи сигнали и ограничава работата с големи синфазни напрежения на входовете им. Изходните числа от ADC се подават на блока за обработка Proc, който обикновено е микроконтролер и действието му е пряко свързано с вида на сензора и желания вид на сигнала на изхода Out. 

За осигуряването на измерването Proc сравнява усиленият входен сигнал с опорен такъв (например напрежение), което не е означено на фиг. 1, регистрира излизането на сигнала извън определени граници и съдържа в паметта си необходимите програми. Цифрово-аналоговият преобразувател DAC формира аналогов сигнал, чийто вид и стойности се задават от изходния усилвател OutAmp. 

Така описаната структура е на аналогов сензор. В цифровите сензори липсват блоковете DAC и OutAmp и е прибавен даденият с прекъсната линия блок Int, чийто изход OutInt е с цифров сигнал, обикновено (без това да е задължително) в съответствие с един или повече от масово използваните интерфейси (например SPI и I2C).

В зависимост от вида си сензорите могат да имат различен изходен сигнал, което в много случаи налага той да бъде преобразуван в напрежение или ток и тогава подаден на входа In на фиг. 1. За целта се ползват преобразуватели ток-напрежение (Current-to-Voltage Converter), на напрежение в честота (Voltage-to-Frequency Converter), на честота в напрежение (Frequency-to-Voltage Converter), на честота в ток (Frequency-to-Current Converter), на електрически заряд в напрежение или ток (Charge Converter) или формиращи изходен ток (Current Loop Converter) в определени граници, например 4-20 mA, 0-20 mA или 1-50 mA. 

Към това трябва да се прибави и използването на преобразуватели с галванично разделяне (Opto-Isolated Signal Conditioner) между сензора и входа In.
Усилватели. Три са разновидностите на ползваните за SSC усилватели, първата и най-голяма от които са операционните усилватели (ОУ). Наличието им в корпуси с малки размери, както и на чипове без корпуси (Die) прави все по-успешно тяхното приложение и за реализация на модули за SSC. 

Използват се всички основни схеми на свързване на ОУ, а най-съществените изисквания към параметрите им и характерни примери за приложение в SSC са дадени в табл. 1 и на фиг. 2.

Ползваните съкращения са коефициент на широколентност GBP, коефициент на потискане на синфазните сигнали CMRR и печатна платка РСВ, като фиг. 2а показва, че усилвателите Amp с несиметричен вход трябва да се монтират близо до сензора S върху РСВ, а според фиг. 2б при тези с диференциален вход може S да е извън РСВ, т. е. отдалечен от Amp. 

Примери за ОУ с консумация под 1 mA и захранващи напрежения до около 5 V (в някои каталози се означават като Nanopower OA) са МСР6441 на Microchip (захранване 1,4-6 V, консумация 0,45 mA, работен температурен обхват -40ё+125°С и размери 3x2x0,75 mm) и TSU101 на ST Microelectronics (захранване 1,5-5,5 V, консумация 0,58 mA, работен температурен обхват -40ё+85°С и размери 3x3x0,9 mm). 

Малките стойности на GBP на тази категория ОУ (9 kHz на първия цитиран) не пречат за използването им с много типове сензори. Съществуват и маломощни четворни ОУ, например ADA4622-4 на Analog Devices (захранване 5-30 V, консумация 715 mA, работен температурен обхват -40ё+125°С).

Измервателните усилватели (Instrumentation Amplifier) INA са особено подходящи за SSC, използват се такива с два или три ОУ и реализацията им освен с двойни и четворни ОУ често се прави с ИС, съдържащи всички техни елементи. Могат да се използват и двете свързвания от фиг. 2, но поради диференциалния вход на INA по-често използвано е това на фиг. 2б. 

Типични примери са: за маломощен двоен ОУ - TS1002 на Silicon Labs (захранване 0,65-2,5 V, консумация 0,6 mA на всеки от усилвателите, работен температурен обхват -40ё+85°С и размери 3x3x0,85 mm); за четворeн - МСР6444 на Microchip и TSU104 на ST Microelectronics (същите параметри, както на TSU101); за INA - МСР6N16 на Microchip (захранване 1,8-5,5 V, консумация 1,1 mA, работен температурен обхват -40ё+125°С и размери 3x3x0,85 mm) и INA188 на Texas Instruments (захранване 4-36 V, консумация 1,4 mA, работен температурен обхват -40ё+125°С и размери 4x4x0,7 mm).

При необходимост от промяна на коефициента на усилване в процеса на работа на сензора, например за компенсация на неговата нелинейност, са подходящи усилватели с програмируем коефициент на усилване (Programmable Gain Amplifier, PGA), в които тази промяна се извършва чрез двоично число на управляващите входове или с помощта на някой от популярните интерфейси. 

Пример за първия вид е ISL28533 на Intersil, който е със захранване 2,5-5,5 V, консумация 2,9 mA и работен температурен обхват -40ё+125°С. За случаите на обработване на сигналите от няколко сензора могат да се използват PGA с вграден мултиплексор, също управляван от интерфейса. Пример е серията МСР6S22, MCP6S26 и MCP6S28 (захранване 2,5-5,5 V, консумация 1 mA, и работен температурен обхват -40ё+85°С) на Microchip съответно с 2, 6 и 8 входа и работа с интерфейса SPI.

С подобно действие са аналоговите входни стъпала (Analog Front End, AFE), каквото е XR18910 (захранване 2,7-5 V, консумация 0.56 mA, работен температурен обхват -40ё+85°С и размери 3,5x3,5x0,75 mm) на Exar с 8 входа, измервателен PGA и управление чрез интерфейса I2C. 

Предназначено е основно за работа с мостове на Уитстон, чието захранващо напрежение се осигурява от вграден постояннотоков стабилизатор, а управляваният от интерфейса цифрово-аналогов преобразувател компенсира нежеланата постоянна съставка на напрежението на моста. Важно е да се добави, че все по-често усилвателят в блока F/A на фиг. 1 е PGA.

Специализирани ИС с вградени сензори. Засега те са главно за температура и сравнително рядко за някои механични величини, затова ще бъдат разгледани в съответния раздел по-нататък. Разработката на ИС с такива и други сензори продължава да е обект на изследователска работа във фирмени и университетски лаборатории. Сред очакваните скоро да се появят на пазара е CMOSens Chip на Sensirion.

Видове ИС според изходната величина
ИС за резистивни сензори. Съпротивлението на този тип сензори зависи от стойността на измерваната величина. Твърде рядко се използва непосредствено определяне на съпротивлението, например чрез пропускане през сензора на неизменен ток и измерване на получения пад на напрежение, или свързването му в делител на напрежение, което се измерва. 

Масово използван начин е свързване на сензора или еднакви сензори в рамо или рамена на мост на Уитстон, който може да се захранва с фиксирано напрежение VВ (фиг. 3а) или фиксиран ток IB (фиг. 3б). Най-просто е поставянето на сензора в едно от рамената на моста (левите свързвания), но поради наличието на промяната DR на неговото съпротивление в числителя и знаменателя на изразите за изходното напрежение Vо се получава грешка в измерването, която е 2 пъти по-малка при захранване на моста с ток. Същата е грешката и във второто свързване на фиг. 

3а, но Vо е 2 пъти по-голямо, което е предпоставка за измерване на по-малки изменения на физичната величина. От изразите за Vо на останалите свързвания се вижда, че то е линейна функция на DR, т. е. няма грешка в измерването поради схемата на моста. Това обаче е за сметка на ползването на по-сложни мостове с два или четири сензора, като тези с четири имат най-големи стойности на Vо. При това сензорите трябва да са монтирани така, че физичната величина да предизвиква показаните изменения на съпротивленията им в различни посоки.

Съпротивлението на свързващите проводници на сензорите и резисторите в рамената на моста се прибавя към това на техните съпротивления и води до грешка. Нейното избягване за две от рамената на моста е показано на фиг. 4, като захранващото напрежение е между възли 1 и 2. При R1=R3 няма влияние на проводниците А и В.

Първият тип ИС за работа с Уитстонов мост са евтините SSC (Low-Cost SSC), които са аналогови и представляват PGA с допълнителни блокове за намаляване на грешките и разширяване на възможностите за управление. Сред характерните примери е МАХ1452 на Maxim Integrated, предназначена за измерване на влажност и няколко механични величини. 

Чрез нейната опростена блокова схема (фиг. 5) се изяснява същността на тази категория ИС. С BR е означен външният мост с 4 сензора, захранван от генератора на ток CG. Напрежението от BR постъпва на входа IN на ИС и съответно на PGA, чийто коефициент на усилване има 16 стойности между 39 и 234, задавани чрез DAC и паметта EEPROM. Вграденият сензор TS измерва през 1 ms температурата във вътрешността на ИС и в съответствие с нея чрез записаните в паметта стойности и DAC осигурява практически нулева постоянна съставка в сигнала на изхода OUT при околна температура -40ё+125°C. Захранването на ИС е 5V/2mA.

Много по-разпространени са класическите ИС за SSC, които се реализират на базата на фиг. 1 и са предназначени за работа с един или няколко вида сензори. Това се постига чрез специфични допълнителни блокове и подходящи схемни решения. Разгледани са в следващите раздели.

ИС за капацитивни сензори. Привлекателността на капацитивните сензори е простата им реализация, която се съчетава с възможностите за безконтактно измерване на множество физични величини – към класическите налягане, приближаване, ускорение, влажност и ниво на течности вече са прибавени регистрация на заеманото място в автомобилите, на жестове, на качествата на изолационни материали и др. 

При ползването на сензорите трябва да се има предвид влиянието върху работата им на околните температура и електромагнитни полета, както и тяхното нежелано овлажняване и замърсяване. Това са причините те да не се препоръчват за прецизни измервания.

Съвременните ИС почти изцяло се реализират на основата на преобразуватели капацитет-число (Capacitance-to-Digital Convertor) CDC, а същността на действието им се изяснява чрез фиг. 6. Генераторът на правоъгълни импулси G с честота между няколко десетки и няколко стотици kHz по време на един от импулсите си зарежда през блока с превключваеми капацитети SC пропорционалния на измерваната физична величина капацитет на сензора S. 

През следващия импулс цялото негово количество електричество Q се прехвърля на еталонния капацитет СЕ и през SC постъпва на ADC (задължително сигма-делта), при което на извода му О се получава число, пропорционално на Q и на измерваната величина. Това прехвърляне означава разреждане изцяло на капацитета на S, с което той е готов за следващото измерване. 

Чувствителността на S (това е капацитетът, предизвикващ изменение на изходното число с 1) при измерване на физически величини обикновено е под 1 fF, докато при реагиращите на докосване сензори достига 100 fF, тъй като максималното разстояние на задействането им е 2-3 cm. Блокът Int е аналогичен на този на фиг. 1.
Типичен пример е FDC1004 на Texas Instruments за едновременна работа с 4 сензора, който се захранва с 3,3±0.3V, консумира 0,75 mA, работи при околна температура от -40 до +125°С и е с размери 3х3х1 mm.

ИС за магнитни сензори. Този тип сензори създават електрически сигнал, пропорционален на магнитно поле. В практически най-масовите сензори на Хол то се получава от постоянен магнит, а изходният им сигнал е напрежение с линейна зависимост от напрегнатостта на полето. Основният блок в ИС на тези сензори е усилвател, като в най-простите той е единствен. 

Друг тип са ИС с вграден генератор на импулси за тока на сензора и практическо отстраняване на неговото напрежение на несиметрия (Offset Voltage) и на влиянието на температурата (например A1684LUB и ATS684LSN на Allegro MicroSystems и DRV411 на Texas Instruments). За прецизни измервания се ползват ИС с подобна на фиг. 1 структура, например А1340 на Allegro MicroSystems.

Съпротивлението на магниторезисторите (Magnetoresistor) зависи от напрегнатостта на магнитното поле и при свързването им в мост на Уитстон (Magnetoresistive Bridge) напрежението в един от диагоналите му е пропорционално на нея. Използват се главно два типа ИС – съдържащи филтър и усилвател (ADA4571-2 на Analog Devices) и със структура, подобна на фиг. 1 (ZSSC5101 на Integrated Devices Technology).

Трета разновидност са индуктивните сензори за положение (Inductive Position Sensor), които имат предавателна бобина и две приемни бобини, като индуцираните напрежения в последните са с фазова разлика 90°. 

При преминаване на метален предмет до тях се индуцира напрежение, пропорционално на разстоянието до него. Основните елементи в ИС за тези сензори са усилвател за напреженията и генератор за предавателната бобина, но за осигуряване на прецизно и сигурно действие се прибавят ADC и DSP за регистриране на стойности извън определени граници (например на напрежението на предавателната бобина) и на неправилни свързвания, например на различни къси съединения в приемните бобини. Такива са трите ИС ZMDI5201/-02/-03 на Integrated Device Technology.

ИС за температура
Три са основните области за приложение на тези ИС – контрол на температура (околна, в електронни устройства, във вътрешността на акумулатори), за компенсиране на промените на параметрите на електронни схеми (например осцилатори) и реализация на схеми за защита от повреда при температура над определена стойност. Ползваните сензори се свързват външно към схеми с ОУ или са вградени в ИС.

ИС за термистори. Основната съвременна схема за свързването им е показана на фиг. 7. В нея през термистора Th и резистора R протича неизменен постоянен ток от генератора CG, а ИС за обработка Cond (тя е ОУ или ADC) осигурява на OUT напрежение или число. 

Резисторът е за линеаризация (съпротивлението му е специфично за всеки модел термистор и обикновено се дава в документацията му) и съответно получаване на практически линейна зависимост на изходния сигнал от температурата на Th. Няма специфични изисквания към ОУ и ADC, а CG може да се замени с резистор и така полученият делител да се захранва с постоянно напрежение. Практически пример за ползването на ОУ е MCP6S21 на Microchip. На пазара продължават да се предлагат и по-стари специализирани ИС за работа с термистори (Thermistor-to-Digital Converter), например МАХ6682 на Maxim Integrated.

ИС за резистивни температурни преобразуватели (Resistance Temperature Detector). Означаваните като RTD сензори ползват промяната на съпротивлението на метали - най-често Pt, но приложения имат Ni и Cu. Сензорите се захранват от CG и полученото върху тях напрежение се подава на класически ОУ, на ADC (обикновено 12b до16b) или на измервателен усилвател. Специализирана ИС за работа с платинови RTD със съпротивление между 100 W и 1 kW е МАХ31865 на Maxim Integrated, която измерва температура с грешка 0.5°С и разрешаваща способност 0.03125°С, а изходът й е в съответствие с интерфейса SPI. Друг пример е LTC2983 на Analog Devices.
ИС за термодвойки. 

Последователното съединение на топлия (Hot Junction) и студения (Cold Junction) преход на термодвойките се свързва към входа на диференциален усилвател, като средната им точка се замасява. В едната група схемни решения ИС е ОУ или измервателен усилвател (обикновено с три ОУ), а при нужда между термодвойката и всеки от входовете на усилвателя се поставя филтър за намаляване на смущенията. Няма специфични изисквания към вида на ОУ, но подходящи са ТС913А и МСР619 на Microchip. 

Другата група са специализираните ИС за термодвойки, каквато е МСР9600 на Microchip с цифров изход в съответствие с интерфейса I2C. В нея 1b от изходното число съответства на 0,0625°С при точност на измерването ±1.5°С. Захранването е 2,7-5,5V/0,3mA.

ИС с вграден сензор. Независимо от повече от дългогодишното им присъствие на пазара те продължават да имат масови приложения. Сензорът в тях представлява свързан в права посока PN преход, което определя обхват на измерваните температури както на класическите ИС. Новостите са с цифров изход и един от характерните примери е ADT7420 на Analog Devices. 

Той има 16-битови изходни числа, предавани чрез интерфейса I2C, температурен обхват -40ё+150°С при 0,0078°С съответстващи на 1b и грешка ±0,25°С. Захранването му е 2,7-5,5V/0,25mA, а размерите са 4х4х0,75 mm. С правоъгълни импулси (честота 88 kHz) на изхода е LMT01 на Texas Instruments предвиден за приложения в индустриални и битови прибори, а неговата разновидност LMT01-Q1 е за автомобили. Обхватът на измерване е -50ё+150°С с максимална грешка ±0.7°С. Броят на импулсите е пропорционален на температурата, като измерванията се правят през 0,1 s, захранването е 2-5,5 V, а размерите на ИС са 4х3,1х1,5 mm.

ИС за измерване на ток
Основните области на измерването на ток са в постояннотокови захранвания (вкл. в преносими прибори, зарядни устройства и преобразуватели на променливо в постоянно напрежение), комуникационни устройства, осветителни системи, автомобили, инвертори за фотоволтаици и др. Най-често използваният начин е чрез пада на напрежение върху нискоомен резистор RS, свързан на входа на диференциален усилвател с един ОУ и наименование усилвател за измерване на ток (Current Sense Amplifier, Current Shunt Monitor) CSA. 

Еднопосочните усилватели (Unidirectional CSA) измерват протичащ в една посока ток и най-често използваната им схема със свързване на RS в активния проводник на товара (High Side CSA) е дадена на фиг. 8а, като ОУ и четирите неозначени резистора представляват CSA.

Напрежението на изхода OUT е Vo=IRSG, където G е коефициентът на усилване на CSA и за да няма реално промяна в работата на товара L трябва RS да е много по-малко от неговия импеданс. Възможно е RS да е монтирано като лента върху печатната платка, за което се дават сведения в документацията на CSA. Двете главни предимства на тази схема са възможността да се открива късо съединение в L и липсата на грешка поради влошено негово замасяване, което определя значително по-масовото използване на тази схема. 

На фиг. 8б е показан еднопосочен усилвател със свързване на L в пасивния проводник (Low Side CSA), замасяването на RS в което е по-просто. Същността на двупосочните усилватели (Bidirectional CSA) е изяснена на фиг. 9в. Изходното й напрежение е Vo=IRSG+VREF, където VREF е постоянното напрежение на входа REF, което в някои случаи е захранващото напрежение VDD (на ОУ и евентуални на допълнителни блокове в CSA). При ток I от VCM към L се получава Vо>VREF, а при обратна посока е Vо
Реално съществуват разновидности на схемата с RS външен за ИС на GSA и с вграден в нея. В последния случай вместо G параметър е отношението Vo/I, което е предавателен импеданс, но също се нарича коефициент на усилване и има измерение V/А. Специфичен параметър е и максималната стойност на измервания ток I. В някои каталози IRS се отбелязва като VSENSE, а за измерване в цифров вид на OUT се свързва самостоятелен АЦП или микроконтролер с вграден АЦП.

В табл. 2 са дадени основните параметри на характерни CSA, като предлаганите модели в тях са с различни G, а в някои случаи корпуси и работен температурен обхват. С GE (от Gain Error) е означена максималната относителна грешка на G, докато BW е горната гранична честота на CSA и съответно максималната честота на измервания ток. Усилвателите в колони 3 до 7 са еднопосочни, а в 2 и 8 – двупосочни. Специфични са дадените в колони 5 и 6 с изходен ток Io=IRS/RA, където RA е външен резистор. 

При протичане на Io през свързан между изхода и маса друг резистор RB се осигурява G=RB/RA, т. е. той може да се програмира. На CSA в колона 5 са дадени продължителностите tr и tf на предния и задния фронт на изходните импулси вместо BW. Сравнително редки са двойните CSA за едновременен контрол на токовете на два товара, какъвто е двупосочният INA2181A4 на Texas Instruments с външни резистори, VCM=-0,2ё+26V, VDD=2,7-5,5V, работен температурен обхват -40ё+125°С и размери 4,9х3х1 mm.

Необходимостта от измерване на изразходваното количество електричество от акумулатор или галванична батерия е довело до разновидността Coulomb Counter на основата на CSA. В TS1108-200 на Silicon Labs това се осъществява като чрез последователност от импулси с продължителност 90 ms се измерва протичащия ток. В зависимост от големината му всеки от тях “съобщава” на изхода на ИС какво количество електричество му съответства и така получената информация се обработва от микроконтролер.

За безконтактно измерване на ток върху проводника, през който той протича, се поставя сензор на Хол, чието напрежение постъпва на входа на ИС. Типичен пример за последната е вече споменатата DRV411 на Texas Instruments, предвидена да работи с мостова схема от 4 магнитосензора тип InSb. Тя позволява измерването на токове до 250 mA с честота до 200 kHz, като захранването й е с 2,7-5,5 V, работният температурен обхват от -40 до +125°С и размерите са 4x4x0,9 mm.