通用传感器接口电路.docx

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通用传感器接口电路

UniversalTransducerInterface（UTI）

通用传感器接口电路

特性

*为各种型号的传感器提供接口电路:

容性器件铂电阻热敏电阻

电阻电桥电位差计

*测量多种传感器件

*单电源供电2.9V-5.5V,工作电流低于2.5mA

*分辨率可达14bits，线性可达13bits

*能够连续自动校准偏移量和增益误差

*兼容微处理器输出信号

*三态输出

*典型测量时间是10ms或100ms

*2路或3路或者4路测量方式

*所有传感器元件支持交流激励电压信号

*能够抑制50HZ~60HZ的交流干涉

*掉电模式

*DIL工作温度范围-40℃~85℃

*裸片工作温度范围是-40℃~180℃

应用

自动化领域工业领域和医疗领域

*容性标准感测

*位置感测

*角度感测

*精确温度测量（铂电阻，负温度系数）

*用于压力，力的测量的阻桥传感器

1.概况描述

通用传感器接口电路（UTI）

通用传感器接口电路对于基于周期调制的低频测量应用是一个完整的模拟前端。

传感器元件可以直接与UTI连接而不需要额外的电路，只需要一个与传感器相同型号的元件作为参考。

通用传感器接口电路输出一个微控制器可兼容的周期调制信号。

通用传感器接口电路可以为以下传感器提供接口：

*容性传感器0-2pF,0-12pF,范围最大为300pF

*铂电阻Pt100,Pt1000

*热敏电阻1KΩ–25KΩ

*电阻桥250Ω-10kΩ最大不平衡为+/-4%or+/-0.25%

*电位计1kΩ-50kΩ

*结合以上各条

通用传感器接口电路对于基于智能微控制器的系统来说是理想的应用。

所有的数据都以微控制器可兼容的信号输出，这样既减少了连接线的数量也减少了绝缘系统中耦合器的需求量。

如果想了解关于绝缘通用传感器接口电路的应用，请参考我们网页支持中心中的相关应用注意事项。

此完整系统对于漂移误差和增益误差持续的自校准表现在采用三信号技术。

低频干扰被高级截波技术消除。

而通过设置四位的二进制模式码则可以选择十六种操作模式。

原理框图

2．引脚说明

UTI可以采用16脚的塑料双列直插封装（DIP），也可以采用18脚的小外形封装（SOIC）。

图一给出了这两种封装形式的外形图。

引脚的功能在表一中列出。

图一

表一

3.最大绝对额定值

电源电压-0.3V—+7V

电源电流（除去连接传感器的）3mA（电压为5V时）

功率消耗21mW

功率消耗（掉电模式下）7μW

输出电压-0.3v—vDD+0.3V

驱动电流输出8mA

阻抗输出60Ω

输入电压-0.3v—vDD+0.3V

每个引脚的输入电流±20mA

ESD额定电压>4000V

存储温度范围-65℃—150℃

工作温度范围-40℃—+85℃

铅温（焊料，10sec）+300℃

4.总说明书

4.0功能说明

4.1输出

UTI输出的是可被微控制器兼容的周期性调制信号并且由激励信号来驱动传感元器件。

表三给出了一些UTI的输出规格。

由于所有的UTI信息都是以一位数字信号的形式给出，因此只需要四根线就可以形成一个通用绝缘前端。

如果需要更多关于UTI绝缘应用的信息，请访问我们的网站查阅相关技术资料。

表3

4.2模拟信号输入

各种传感器元件可以与UTI的输入端直接相连。

传感器与UTI的各种连接方式在第8节有详细介绍。

表4列出了UTI的一些输入规格说明.

参数

值

单位

条件/注释

输入电容

20

pF

A与BCDEF之间的电容泄漏

30×10-3

pF

DIP封装

衰减程度50/60Hz

60

dB

4.3控制信号

在4.1节中介绍到UTI有16种工作模式，这些模式由SEL1SEL2SEL3和SEL4四个选择引脚组合而成。

在表2中，“1”表示连接高电压“0“表示接地。

还可以实现一些特殊的功能，比如快/慢模式和掉电模式，分别由SF和PD设置。

SF引脚是用来设置测量速度。

当SF=1时，UTI工作在快速模式，在这种模式下输出信号的一个完整周期的时间是10ms。

当SF=0时，UTI工作在慢速模式，输出信号的周期时间是100ms

PD引脚在UTI中是用来设置掉电模式。

当PD=0，UTI处于掉电模式，输出点被浮置（高阻态）.这样可以将几个UTI的输出接在同一条输出线上，输出的仅仅是被选择的那个信号。

（PD=1）

CML引脚总是接地的（除了在CMUX模式下）。

在CMUX模式下，CML引脚用来选择测量范围。

这些范围分别是0-2pF（CML=0）和0-12pF（CML=1）。

不支持浮置输入，除非有规定。

在下一节，将详细介绍UTI的所有工作模式。

这些模式的名称和表2是的一样的。

在这节中，CML=0和SF=0除非另有规定。

要详细说明的重要参数是：

*精确度

*分辨率

*状态数量

*各种状态中的指定信号

5.一些传感器测量的理论

5.1关于三信号技术和校正

三信号技术是一种消除线性系统中的未知偏移和增益的影响的技术.为了应用这种技术,除传感器测量值的信号之外,另外两个参考信号必须基于同样的测量标准.假设系统有这样一个线性函数:

我们给系统赋予3个不同的输入值:

这三种标准的信号输出值是:

然后计算得:

当系统呈线性时,且在这个比率中，测量系统中未知偏置Moff和未知增益K的影响将被消除，M的计算值表示在未知传感元件值和已知参照元件值之间的比率。

这种技术叫做三变量技术或者三信号技术。

偏移量和增益的大小可能会随时间改变,但是他们对最后的结果没有任何作用。

因此UTI是基于自校准的测量系统.

执行三信号技术需要一个微处理器,微处理器是用来数字化周期调制信号和对数据进行存储以及进行运算.这样系统结合了感测元件（传感器）与信号处理电路.例如UTI这样,加一个微处理器后又叫做基于微处理器的智能传感系统。

有自动校准功能致使UTI系统不受温度的影响.

5.2传感器的测量

UTI的输出是一个周期性调制信号。

图2给出了UTI输出信号的两个完整周期，每个周期由三种状态组成。

图2.UTI的3个状态模式的的输出信号

像我们在上面的三信号技术理论中解释的一样，UTI的内部输入必须被转换到三个或者更多的元件。

在第一个状态中，线性系统的内部偏置被测量（通常这时没有外部元件接到相应的引脚）。

在第二种状态中，UTI通过转换到相应的连接引脚，测量了参考元件的值。

在接下来的状态中，UTI测量一个或者更多传感器元件的值。

在图2中的输出信号适用于只有一个未知传感器被测量的情况。

在这些状态间的切换是完全由UTI控制，并没有微控制器的参与。

在第一个状态Toff下，测量线性系统的所有偏置。

在第二个状态Tref下，测量参照信号。

而在最后一个状态Tx下，测量实际的传感器信号。

每个状态的持续时间都与待测信号在那个状态的持续时间有关。

这三个状态的持续时间由下表给出：

CX和VX是测量的传感信号,CREF和VREF是基准信号,c0和v0是不变部分（包括电压偏移量等），k1和k2是增益.参数N表示一个状态中的内部振荡周期数.在慢速模式,N=1024,在快速模式N=128,电压Vx和Vref，对电阻来讲，分别表示通过传感器电阻和参考电阻电压,在另一种模式下Vx和Vref分别表示桥输出电压和桥供应电压。

UTI通过计算相应状态下的微控制器的脉冲周期数将输出信号数字化,结果就是Noff,Nref和Nx,.CX/CREF和VX/Vref的比值现在就可以通过微控制器计算出来:

因为这个比值既与系统的偏置量无关,也与增益无关.系统从原理上校正偏置量和增益因此称为自动校正.即使在偏置量和增益浮点变化或者缓慢变化情况下,也能保持最大精确度.

三种状态属于时分复用,在图2中可以看出.偏置状态由两个一半周期组成（输出频率是临时的两倍.正因为这样,微控制器能根据公式

（1）识别各个状态并且进行正确的计算.因为偏移状态总是最短的,这个情况也可以用来辨别状态.一个完整周期的状态数在3到5之间变化,

状态数的多少由UTI的模式来确定.每个模式都有固定的周期.始终有一个偏置值测量,一个参考值测量和一个或者多个未知值测量.

5.3分辨率

UTI的输出信号通过微控制器变成数字信号.这种取样带入了量化噪声,同时也限定了结果.任何测量中的量化噪声由相对标准偏差σq，总计:

ts是取样时间,Tphase是状态持续时间,例如:

取样时间是1μs,偏置状态持续时间是20ms（慢速模式）,那么偏置状态的标准差就是1/45,000,导致结果最多表示为15.5bits.在快速模式下这个结果将是12.5bits.为了进一步改进结果可以取M1…到Mp,来计算出M的平均值,σq的值减少了P1/2

除了量化噪声,另外限制结果的还有震荡器本身的热噪声以及寄生电容（信号传输线）cp可能带来的影响,在CMUX模式下,测量分辨率作为寄生电容cp（见图7）的函数由图4可以看出.

图4分辨率对寄生电容cp的函数

5.4非线性

UTI的非线性的典型值根据不同的模式在11bit和14bit之间。

比如在CMUX模式中，寄生电容（见图7）的非线性函数见图5。

图5非线性对寄生电容cp

5.5UTI的容性测量

UTI测量容值的方法比较特殊。

一般的测量方法中，连接线的寄生电容是与待测电容并联的。

见图（a）（b）

（a）典型测量电容的方法（b）UTI测量电容的方法

在典型测量电容的方法中，线缆电容与被测电容并联同时被测量。

要避免这一影响并不容易，同时用较长的线缆去测量小电容也是很困难的。

在UTI中用四个电极测量Cx，通过测量待测电容中的电荷转移的方法得以解决。

电容激励来自电源电压。

这意味着Cp1是并联电源电压，所以它不是测量电路的一部分。

通过Cx的电荷被接地的电荷放大器作为虚地吸收，这意味着寄生电容Cp2短路。

用这种四极测量技术可以在线缆的寄生电容高达几百pF时测出小到aF级的电容。

在图5中可以看出精确度与寄生电容Cp之间的关系，从图中我们可以看出当线缆电容是500pF时,非线性仍为1.0E-3.

当测量多个电容时，每个节点（B,C,D,E,F）都是在一个特定时间激活，在那之后UTI切换到下一个结点。

这些没有活动的结点此时是接地的，变成了寄生电容，但是仍然对测量没有影响。

结点选择是由UTI自动控制。

在CMUX的模式下面，可以测量的电容数量是不受限制的。

所有电容被接上不同的电压源并且一起连接到接收器放大器的输入端（A点）。

更多的CMUX应用在CMUX规格书中给出。

如果需要更多关于UTI电容测量应用的信息，请访问我们的网站查阅相关技术资料。

注意：

在大多数容性应用中，在第一个状态（偏置状态）下测量输入时都是输入断开的。

在那样的情况下只有器件的内部电容是被测量的（包括芯片电容和连接和引线电容）。

在第二个状态中，参考电容被测量。

这是最直接的方法去应用三变量方法，同时从方程中去除偏移和增益误差。

用这个方法，在5电容模式（模式0或模式2）下，可以测量3个未知电容。

当在3电容模式（模式1或模式4）下时，可以测量一个未知电容。

然而，在特定的环境下，人们会希望连接一个外部偏移元件（C0）。

当这个元件的偏移量是已知与参照元件的值具有同样的精确度时，三信号的方法也仍然可以使用。

6.电容模式（模式0到4）

6.1模式0C25：

5个电容0到2pF

在该模式下，可以测量到5个具有一个相同电极的容值