Jste zde

LMP90100 = 24bit. AFE systém pro digitalizaci signálů senzorů

Antonín Vojáček, 29. Leden 2011 - 22:07

Pro realizaci přesných digitálních snímačů teploty, tlaku, zatížení, síly a jiných typů využívajících odporové či termočlánkové senzory je výhodné mít k dispozici nějaké integrované rozhraní. Nejlépe takové, které provede vysokobitový převod analogové hodnoty na digitální, sám si provádí kalibraci a komunikace s ním je již datová po sériové sběrnici. To vše je obvod LMP90100.

Minulý týden jsme si představili zajímavý obvod LMP91000 vytvářející kompletní AFE rozhraní pro realizaci chemických snímačů (viz odkaz na článek). Ten však v nabídce společnosti National Semiconductor není jediný. Oblast AFE systémů pak zahrnuje i další zajímavý obvod s označením LMP90100 pro napojení a digitalizaci klasických odporových a napěťových senzorů teploty, tlaků nebo zatížení (tenzometrů). Pojďme se na něj blíže podívat.

Stručný popis obvodu LMP90100

Integrovaný obvod LMP90100 je multikanálový nízkopříkonový AFE systém (Analog-Front End system) primárně cílený na snadnou realizaci přesných digitálních snímačů teploty, tlaku, zatížení nebo síly. Že to nejsou jen „plané řeči“ dokládá integrace 24bitového sigma-delta A/D převodníku s nízkošumovým zesilovačem s digitálně programovatelným zesílením a plně diferenciálním vícekanálovým vysokoimpedančním vstupem realizovaný multiplexerem.

Aby vysoké rozlišení 24bitového převodu co nejméně rušily a ovlivňovaly okolní negativní vlivy, má obvod implementovanou průběžnou automatickou kalibraci signálové cesty s ohledem na eliminaci chyb zesílení a offsetů, ať již způsobené změnou okolní teploty či stárnutím součástky. Zároveň diagnostika obvodu průběžně kontroluje a vyhodnocuje neobvyklé a nežádoucí stavy, jakými jsou rozpojený obvod, zkrat či signál mimo rozsah. Nasazení takto realizovaného analogově-digitálního rozhraní není v této oblasti měření rozhodně obvyklé.

Protože nejde jen o klasický A/D převodník, ale opravdu kompletní AFE systém pro přímé připojení různých napěťových / odporových senzorů, jsou na výstupech součástky k dispozici dva programovatelné zdroje proudu pro přesné napájení různých odporových senzorů (např. teploty Pt100). Také obsahuje víceúčelové binární vstupy/výstupy například vhodné pro přímou signalizaci stavu a úrovně signálu, takže jednoduché snímače lze realizovat jen samotným obvodem LMP90100 bez nutnosti napojení na vyhodnocovací systém například v podobě mikrokontroléru.

Obvod LMP90100 se dodává v 28pinovém pouzdře TSSOP.

Příklad možných připojení různých odporových a termočlánkových teplotních senzorů k obvodu LMP90100.

Podrobnější popis funkce a struktury obvodu

Jak je patrné z níže uvedeného blokového schéma vnitřní struktury, obvod LMP90100 není pouze přesný A/D převodník s digitálním filtrem (24bit. Sigma-Delta Module + Digital Filter) se vstupním multiplexerem (Input MUX) doplněný o nastavitelný zesilovač (PGA) a obvody průběžné kalibrace a potlačení rušení (Background Calibration). Obsahuje i docela složitou řídící logiku (Serial Control & Calibration Data Path), diagnostiku vstupů (Sensor Diag.) a dva zdroje proudu IB1 a IB2.

Kompletní blokové schéma vnitřního zapojení a struktury obvodu LMP90100.

Pojďme však postupně od napěťových vstupů VIN. Těch je celkem 8 a mohou být provozovány jako sedm jednoduchých vstupů nebo jako 4 plně diferenciální kanály CH0 až CH3 s tím, že lze vzájemně kombinovat do dvojice libovolné dva vstupy (např. kanál CH0 mohou tvořit dvojce vstupů VIN0 – VIN5, CH1 např. vstupy VIN1 – VIN3 atd.). To se definuje, stejně jako další parametry obvodů digitálně prostřednictvím datové komunikace po sériové sběrnici SPI, které se nastaví registr v řídící logice a ta definuje nastavení vstupního multiplexeru. V případě jednoduchých vstupů pak jeden VIN musí plnit funkci společné signálové nuly (0 V). I když vstupní rozsah jednotlivých VIN vstupů je 0 V až analogového napájecí napětí 2,85 až 5,5 V vstupu VA (při vyřazeném bufferu), měřící rozsah převáděný následně A/D převodníkem se definuje přivedením referenčního napětí na pár vstupů VREFP a VREFN (využívá se rozdíl napětí VREFP – VREFN). Obvykle se však hodnota VA a VFREF dává shodná. Navíc jsou k dispozici dva referenční kanály VREF1 a VREF2 a možnost naprogramovat, jaký z nich se má používat pro daný vstupní kanál (např. pro CH0 se použije VREF1 a naopak pro CH1 zase VREF2). Každý vstupní kanál tak může mít rozdílný měřící rozsah. V případě použití obou referenčních kanálů však je možné použít jen 3 diferenční vstupy, protože VREF2 sdílí vstupy VIN6 a VIN7. Vstupní impedance se dle údajů výrobce pohybuje v řádu 10 MOhmů.

Blokové provedení vstupní analogové signálové cesty obvodu LMP90100 od vstupních svorek k A/D převodníku.

Dále signál z výstupu multiplexeru postupuje na vstup zesilovače FGA (Fixed Gain Amplifier) s pevným 16násobným zesílením, čímž signál připraví pro převod A/D převodníkem. Pro větší úrovně vstupních napětí však lze zesilovač vyřadit (obejít). Na trase může být ještě zařazen analogový buffer, který je schopen podržet před převodem poslední hodnotu.

Závislost driftu hodnoty zesílení - tedy změna hodnoty zisku (Gain) v závislosti na změně teploty (Temperature).

Pak již následuje 24bitový A/D převodník typu Sigma-Delta s digitálním filtrem, který je vybaven průběžnou kalibrací, která slouží k minimalizaci driftu zesílení a offsetu, tedy jejich změnu vlivem teploty a času. Kalibrace se provádí „na pozadí měření“ bez ovlivňování a přerušení funkce A/D převodníku. Mimo jiné offset je v řádu 10 nV a chyba zesílení typicky 7 ppm, tedy obě hodnoty jsou velmi nízké. Pro kalibraci tak není nutné přerušovat měření. Součástí převodu je i zesílení zesilovačem PGA (Programmable Gain Amplifier) s nastavitelným ziskem v rozsahu 1x a 8x, čímž lze z předchozím FPA dosáhnout zesílení 1x až 128x. Funkce bloku převodu je taktována hodinovým signálem tvořeným z interního zdroje (Internal CLK) s frekvencí 893 kHz nebo generovaný prostřednictvím externího signálu či krystalu připojeného na vstupy CLK / XIN – XOUT s frekvencí až 7,2 MHz. Výkon převodníku může být opět nastaven v registrech obvodu v rozsahu 1,68 vzorků/s až 214,65 vzorků/s a to opět odlišně pro každý vstupní kanál.

Princip vzorkování napětí jednotlivých vstupních kanálů a převodní charakteristika 24bitového A/D převodníku.

Digitalizovaný signál, resp. hodnoty vzorků vytvořené blokem převodníku se pak průběžně ukládají do registrů, ze kterých se do nadřazeného systému přenášejí prostřednictvím SPI synchronní sériové komunikace. Ta je tvořena rozhraním s 4 vývody:

Volící vstup (CSB)
Hodinový signál - serial clock (SCLK)
Vstupující data - serial data in (SDI)
Výstupní data / data připravena - serial data out / data ready bar (SDO/DRYDYB).

Jak již bylo zmíněno výše, mimo měřící řetězec jsou v obvodu i podpůrné napájecí prostředky. Těmi jsou dva proudové zdroje IB1 a IB2, které opět dle naprogramování mohou poskytovat stabilní napájecí proud pro odporové senzory, ať již samostatné nebo v můstkovém provedení zapojení, v rozsahu 0,1 až 1 mA. S tím korespondují i typická zapojení snímačů teploty či zatížení využívající změnu odporu uvedená výrobcem v datasheetu – viz schémata níže:

Tento příklad použití obvodu LMP90100 ukazuje zapojení s 3vodičovým odporovým senzorem teploty (RTD) využívající oba budící zdroje proudu pro vytvoření diferenčního napětí na vstupech VIN0 a VIN1, tedy stačí použít pouze jeden měřicí kanál VIN0-VIN1. Například použijeme senzor Pt100, který měří v rozsahu teploty 0 až 120°C odpor v rozmezí 100 až 146 Ohmů. Zvolíme-li vhodnou hodnotu rezistoru RCOMP, aby vstup VIN byl virtuálně 0 V pro požadovanou teplotu (např. 100 Ohmů pro 0°C), lze použít většího zesílení.

Zde je stejný senzor jako v předchozím zapojení, ale zde se využívá jen jeden proudový zdroj. Naopak je nutné použít dva měřicí kanály VIN0-VIN1 a VN1-VIN6.
Obvod LP90100 je také ideální pro nasazení termočlánky. Ten přímo sám od sebe generuje rozdílové napětí, takže jej stačí rovnou připojit na jeden vstupní kanál.

Obvod LP90100 je také ideální pro měření teploty s termočlánky. Ty přímo samy od sebe generují slabé rozdílové napětí v řádu desetin mV, které je úměrné rozdílové teplotě tzv. horkého a studeného konce (Thot - Tcold). Takže termočlánek stačí rovnou připojit na jeden vstupní kanál (zde VIN4-VIN3). Pouze pro zjištění správné absolutní teploty je nutné kompenzovat vliv přechodu na tzv. studeném konci termočlánku, tedy na úrovni napojení termočlánku na vyhodnocovací obvody. To se zde řeší použitím dalšího teplotního senzoru v podobě součástky LM94022.

Základní parametry obvodu LMP90100:

4 diferenciální / 7 jednoduchých vstupních napěťových kanálů s rozsahem až 5,5 V
24bitový A/D převodník Sigma-Delta
Vzorkovací rychlost (ODR): 1,6775 SPS až 214,65 SPS
ENOB/NFR: až 21.5/19 bitů
Průběžná automatická kalibrace (Continuous Background Calibration)
Nízkošumový programovatelný zesilovač (1x - 128x)
Stabilizovaný analogový buffer
Nelinearita: ±15 ppm rozsahu
Offset (typ): 8.4 nV
Chyba zesílení (typ): 7 ppm
Celkový šum: < 10 mikroV-rms
Diagnostika rozpojení/zkratu a výstupu senzoru mimo rozsah
Dva programovatelné proudové zdroje s rozsahem 0,1 až 1 mA
Čtyřvodičová synchronní sériové SPI komunikace s CRC korekcí přenosu
Filtrování 50 Hz & 60 Hz frekvence
Nezávislé nastavení zesílení a volba rychlosti vzorkování pro každý kanál
7 víceúčelových binárních vstupů/výstupů například pro indikaci či spuštění měření
Návrhu zapojení a nastavení softwarem Webench Sensor AFE Designer
Analogové napájecí napětí (VA): +2.85V až +5.5V
Napájení digitálních bloků (VIO): +2.7V až +5.5V
Provozní teplota: -40°C až 105°C
Pouzdro: 28vývodové TSSOP