Применение 24-битных АЦП со встроенным PGA в приложениях с большим количеством датчиков

17 февраля

медициналабораторные приборыMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Джон Грин, Мохамед Исмаил (Maxim Integrated)

В практическом руководстве Maxim Integrated рассмотрены три варианта применения 24-битных шестиканальных сигма-дельта-АЦП Maxim с усилителями с программируемым коэффициентом усиления в приложениях с большим количеством датчиков.

ИС MAX11254 компании Maxim Integrated представляет собой 24-битный АЦП, предназначенный для применения в устройствах с большим числом датчиков. Данный АЦП содержит 6 дифференциальных каналов и усилитель с программируемым коэффициентом усиления (Programable Gain Amplifier, PGA), имеет функции калибровки, а также поддерживает три режима управления каналами, что позволяет автоматизировать любую систему сбора данных. АЦП MAX11254 представляет собой полный аналог MAX11259 с управлением по шине I2C.

Общие сведения

В последние годы наблюдается взрывной рост применения различных сенсорных технологий в связи с бурным развитием интернета вещей (IoT). Аналитики компании Bloomberg прогнозируют, что в ближайшие месяцы рынок датчиков со встроенным микроконтроллером достигнет 2,8 трлн. устройств. Однако для создания любого датчика необходим аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует выходной сигнал чувствительного элемента (сенсора) в цифровой вид для его последующей обработки. При этом для создания однокристальных интерфейсных решений на текущем уровне развития сенсорных технологий требуются АЦП с большей функциональностью, в том числе с большей разрешающей способностью, с возможностями калибровки, со встроенным усилителем с программируемым коэффициентом усиления (PGA) и с большим числом каналов.

ИС MAX11254/MAX11259 – это микросхемы АЦП высокой степени интеграции, имеющие шесть дифференциальных аналоговых входов и содержащие шестиканальный мультиплексор, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, дельта-сигма-модулятор и цифровой фильтр. Для реализации устройств, использующих несколько аналоговых входов, в АЦП предусмотрены три режима работы секвенсора:

  • режим 1 – в этом режиме секвенсор отключен, а преобразование может выполняться только по одному каналу, обеспечивая при этом непрерывную выборку входного сигнала с максимально возможной частотой дискретизации;
  • режим 2 – выполняется автоматическое преобразование по нескольким каналам в порядке, заданном пользователем;
  • режим 3 – выполняется автоматическое преобразование по заданным каналам с одновременным управлением линиями GPO/GPIO.

В данной статье мы рассмотрим все три режима, чтобы помочь разработчикам в максимальной степени использовать все функциональные возможности АЦП MAX11254/MAX11259. Эти АЦП отличаются только интерфейсом управления: для систем с шиной SPI предназначен АЦП MAX11254, а для систем с шиной I2C – MAX11259. Во всех примерах данного руководства мы будем использовать АЦП MAX11254, который без проблем можно заменить на MAX11259. Функциональная схема АЦП MAX11254 изображена на рисунке 1.

Рис. 1. Функциональная схема MAX11254

Рис. 1. Функциональная схема MAX11254

Пример 1. Непрерывные измерения слабого сигнала

В тех случаях, когда необходимо постоянно считывать один и тот же сигнал, секвенсор MAX11254 можно переключить в режим 1. В этом режиме АЦП выполняет непрерывное чтение только по одному каналу. В то же время, если в устройстве требуется всего один канал, то логичнее будет взять одноканальный АЦП MAX11214, имеющий похожую архитектуру и содержащий PGA и цифровой фильтр.

Для демонстрации возможностей режима 1 рассмотрим прибор для снятия электрокардиограммы (ЭКГ). Для снятия ЭКГ необходимо непрерывно считывать дифференциальный сигнал с одной или нескольких пар электродов, закрепленных на теле человека. Величина этих сигналов может изменяться от 100 мкВ до 2…3 мВ в пике, что затрудняет их измерение. Поэтому АЦП MAX11254, имеющий встроенный усилитель с изменяемым усилением и способный непрерывно преобразовывать сигнал по одному каналу, как нельзя лучше подходит для решения этой задачи. Для тех приложений, где требуется одновременная выборка сигналов нескольких каналов, существует альтернативный вариант АЦП – MAX11040K. На рисунке 2 показан один из возможных вариантов схемы аппарата ЭКГ с одним каналом на основе MAX11254.

Рис. 2. Упрощенная схема аппарата ЭКГ с использованием АЦП MAX11254

Рис. 2. Упрощенная схема аппарата ЭКГ с использованием АЦП MAX11254

АЦП MAX11254 требует, чтобы между положительным и отрицательным входами опорного напряжения присутствовало дифференциальное опорное напряжение не менее 1,5 В. Чем меньше будет это напряжение, тем меньше будет шаг квантования входного сигнала. Следующее уравнение описывает зависимость между разрешающей способностью АЦП и минимальным значением напряжения, которое можно измерить при однополярном питании. Для двухполярного питания полученное значение следует умножить на 2 (формула 1):

$$STEP\:SIZE=\frac{V_{REF}}{GAIN \times 2^\eta},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • η – разрешающая способность АЦП;
  • GAIN – коэффициент усиления PGA;
  • VREF – опорное напряжение.

Максимальное измеряемое входное напряжение равно величине опорного напряжения, деленной на коэффициент усиления PGA. Взяв минимальное опорное напряжение 1,5 В и максимальный коэффициент усиления 128, мы получим шаг квантования, равный 698,5 пВ, и напряжение полной шкалы, равное 11,7 мВ. Максимальное и минимальное разрешения, которые могут обеспечить MAX11254 в различных конфигурациях, указаны в таблице 1. Из этих значений следует, что АЦП MAX11254 может с легкостью измерять уровни сигналов, характерные для ЭКГ.

Таблица 1. Шаг квантования АЦП для различных значений опорного напряжения, диапазона напряжений и коэффициента усиления PGA

Режим Опорное напряжение, В Коэффициент усиления PGA Шаг квантования, нВ
Однополярный 1,5 1 89,4
128 0,7
3,6 1 214,6
128 1,7
Двуполярный 1,5 1 178,8
128 1,4
3,6 1 429,2
128 3,4

Второй критерий, который необходимо принимать во внимание при проектировании – это частота дискретизации. Согласно теореме Найквиста, частота дискретизации сигнала должна быть как минимум вдвое больше, чем частота самой высокочастотной составляющей сигнала, чтобы предотвратить наложение спектров. Частоты сигналов ЭКГ лежат в диапазоне 0…20 Гц. АЦП MAX11254 может формировать до 64 тыс. выб/с, что намного больше требуемой частоты дискретизации 40 Гц. Чтобы убедиться в возможности MAX11254 оцифровать сигнал ЭКГ, мы сняли сигнал ЭКГ, используя отладочную плату MAX11254EVKIT. На рисунке 3 показана типичная кривая QRS, построенная на основе данных, полученных с использованием MAX11254EVKIT при единичном коэффициенте усиления PGA. Электрод, подключенный к правому запястью, был подключен к отрицательному входу АЦП, а электрод, подключенный к левому запястью, был подключен к положительному входу АЦП. На рисунке 4 показан сигнал ЭКГ, полученный при коэффициенте усиления PGA, равном 128. Применение более высокого коэффициента усиления значительно облегчает расшифровку комплекса QRS. Для реализации аналогового внешнего интерфейса электрокардиографа компания Maxim предлагает интегральную микросхему MAX30003, которая также может определять частоту сердечных сокращений.

Рис. 3. Сигнал ЭКГ при однократном усилении

Рис. 3. Сигнал ЭКГ при однократном усилении

Рис. 4. Сигнал ЭКГ при усилении 128

Рис. 4. Сигнал ЭКГ при усилении 128

Разработчик может подумать: «зачем использовать PGA с коэффициентом 1, если в АЦП MAX11254 есть возможность зашунтировать PGA и исключить его из аналогового тракта?» Дело в том, что даже если нам и не нужно усиливать сигнал, PGA выступает в качестве буфера между источником сигнала и АЦП. Большинство АЦП требует, чтобы источник сигнала имел низкое выходное сопротивление. Обычно в дельта-сигма-АЦП перед модулятором расположен коммутируемый конденсатор. Высокое выходное сопротивление источника сигнала может отрицательно повлиять на скорость заряда и разряда входного конденсатора, что приведет к неправильным измерениям.

Выбор подходящей схемы преобразования в режиме 1

В режиме 1 секвенсора поддерживаются две схемы непрерывного преобразования, а также есть возможность выполнять однократное преобразование. Таким образом, в режиме 1 секвенсора АЦП может работать в таких режимах как: однократное преобразование, однократное непрерывное преобразование и непрерывное преобразование.

В режиме однократного преобразования АЦП выполняет одно измерение по заданному каналу, после чего переходит в спящий режим. Режимы однократного непрерывного и непрерывного преобразований похожи, но имеют разные скорости преобразования. В режимах однократного и однократного непрерывного преобразований скорость преобразования может составлять 50…12,800 выб/с, в режиме непрерывного преобразования его скорость составляет 1,9…64000 выб/с. Режим непрерывного преобразования для данного примера был выбран произвольно, с таким же успехом мы могли воспользоваться режимом однократного непрерывного преобразования.

У режима непрерывного преобразования имеется один досадный недостаток – задержка. В данном случае под этим термином понимается задержка между получением команды и запуском первого преобразования. Эта задержка измеряется как время между нарастающим фронтом на линии CSB (выбор кристалла) при передаче команды и спадающим фронтом на линии RDYB (готовность данных), который сообщает о наличии нового результата преобразования. Длительность этой задержки зависит от частоты дискретизации, как показано в таблице 2. В этой таблице для каждой частоты дискретизации приведены два значения коэффициента задержки запуска. В первой колонке указывается изменение задержки запуска относительно номинальной частоты дискретизации, а во второй – относительно измеренной частоты дискретизации последующих преобразований.

Таблица 2. Коэффициент задержки для различных частот дискретизации в режиме непрерывного преобразования

Номинальная частота дискретизации, выб/с Задержка запуска, мкс Коэффициент задержки относительно номинальной частоты дискретизации Коэффициент задержки относительно измеренной частоты дискретизации
1,9 509421,02 0,97 1,00
3,9 254787,34 0,99 1,00
7,8 127559,76 0,99 1,00
15,6 63924,78 1,00 1,00
31,2 32103,76 1,00 1,01
62,5 16173,1 1,01 1,02
125 8216,6 1,03 1,03
250 4242,24 1,06 1,07
500 2251,38 1,13 1,13
1000 1257,8 1,26 1,27
2000 760,3 1,52 1,53
4000 512,22 2,05 2,06
8000 387,42 3,10 3,12
17000 325,36 5,21 5,24
32000 170 5,44 5,47
64000 92,14 5,90 5,93

Процедура самокалибровки

Калибровка – важный этап в процессе работы любой измерительной системы. Различают два типа калибровки:

  • самокалибровка;
  • системная калибровка.

Самокалибровка касается модулятора АЦП и обеспечивает корректное масштабирование напряжения, подаваемого на входы модулятора, в соответствии с выбранным опорным напряжением. Процесс самокалибровки никак не затрагивает остальные функциональные блоки АЦП, включая PGA. Системная калибровка выполняется для функциональных узлов, окружающих модулятор, и обеспечивает корректное масштабирование напряжения, подаваемого на входы АЦП, в соответствии с опорным напряжением. Самокалибровка должна выполняться перед системной калибровкой.

Выполнение процедуры самокалибровки перед началом измерений гарантирует точность измерений. Процедура самокалибровки должна выполняться в обязательном порядке, независимо от архитектуры системы. В противном случае результаты измерений могут содержать ошибки, превышающие 400 мВ. В процессе самокалибровки выполняются две отдельные операции: калибровка смещения и калибровка усиления. Для этого считываются показания, соответствующие нулевому значению и значению полной шкалы. При чтении нулевого значения входы модулятора замыкаются между собой внутри кристалла, после чего запускается преобразование. На основе результата измерения формируется коэффициент смещения самокалибровки (Self-Calibration Offset Coefficient, SCOC), который сохраняется в регистре SCOC. На втором этапе самокалибровки входы модулятора подключаются внутри кристалла к источнику опорного напряжения, после чего запускается преобразование. На основе результата измерения формируется коэффициент усиления самокалибровки (Self-Calibration Gain Coefficient, SCGC), который сохраняется в регистре SCGC.

Применение калибровочных коэффициентов

После завершения самокалибровки необходимо разрешить использование калибровочных коэффициентов, чтобы они автоматически применялись к результатам измерений. Для каждого калибровочного коэффициента в АЦП имеются 2 регистра: внутренний регистр, в котором хранится значение, полученное в результате аппаратной калибровки, и регистр, доступный для записи по SPI-интерфейсу, содержимое которого может изменяться пользователем. Два регистра позволяют быстро переключаться между пользовательскими и внутренними калибровочными коэффициентами. Если пользователю требуются отдельные калибровочные коэффициенты для разных каналов, он может выполнить калибровку по каждому каналу и сохранить полученные значения в памяти микроконтроллера. Перед запуском преобразования по конкретному каналу пользователь может загрузить в регистр желаемый калибровочный коэффициент. Обратите внимание, такая схема калибровки возможна только в режиме 1 секвенсора.

Для управления калибровочными коэффициентами предназначен младший байт регистра CTRL3. И программируемый пользователем регистр, и аппаратный регистр калибровки расположены по одному адресу. Бит CALREGSEL регистра CTRL3 определяет, какой именно регистр калибровки будет использоваться в процессе преобразования. Значение обоих калибровочных коэффициентов – и заданного пользователем, и сгенерированного аппаратно, – можно прочитать в любой момент, выполнив команду чтения соответствующего регистра: системного коэффициента смещения (SOC), системного коэффициента усиления (SGC), SCOC и SCGC. Какое именно значение будет прочитано, определяет бит CALREGSEL: если он установлен, то при чтении возвращается пользовательский коэффициент калибровки, если сброшен – аппаратный.

Применение калибровочных коэффициентов отнимает время и, следовательно, снижает частоту дискретизации. Чем больше выполняется калибровок, тем меньше получается частота дискретизации. В таблице 3 приведены измеренные значения частоты дискретизации для однократного и однократно-непрерывного режимов преобразования при работе секвенсора в режиме 1 для трех схем калибровки. В таблице 4 приведены измеренные значения частоты дискретизации для режима непрерывного преобразования при работе секвенсора в режиме 1 для трех схем калибровки. Из этих таблиц видно, что наибольшая частота дискретизации при любых вариантах калибровки обеспечивается в режиме непрерывного преобразования. Следует отметить, что время преобразования может изменяться в небольших пределах. Значения, приведённые в таблицах, следует рассматривать как номинальные и иметь в виду, что реальное время преобразования может отличаться.

Таблица 3. Измеренные значения частоты дискретизации в однократном и однократно-непрерывном режимах преобразования при различных схемах калибровки

Номинал, выб/с Однократный режим преобразования Однократно-непрерывный режим преобразования
Без калибровки, выб/с Самокалибровка, выб/с Самокалибровка и системная калибровка, выб/с Без калибровки, выб/с Самокалибровка, выб/с Самокалибровка и системная калибровка, выб/с
50 50,24 50,24 50,17 50,25 50,21 50,2
62,5 62,78 62,77 62,72 62,82 62,79 62,75
100 100,43 100,35 100,29 100,47 100,41 100,33
125 125,47 125,3 125,27 125,55 125,45 125,34
200 200,54 200,21 200,02 200,73 200,47 200,21
250 250,43 249,95 249,7 250,74 250,39 249,99
400 399,38 398,38 398,01 400,1 399,63 398,74
500 498,72 496,78 496,25 499,88 498,65 497,4
800 794,89 789,52 788,48 797,85 794,3 791,38
1000 988,72 980,21 966,3 993,37 987,7 983,51
1600 1566,02 1545,09 1542,22 1576,86 1563,55 1553,22
2000 1951,93 1914,65 1901,21 1969,33 1947,7 1932,27
3200 3050,74 2969,89 2961,95 3096,07 3040,73 3003,31
4000 3792,05 3668,47 3656,07 3856,94 3777,64 3719,74
6400 5866,93 5573,53 5547,98 6029,03 5830,06 5697,08
12800 10786,54 9842,52 9468,52 11389,2 10629,2 10235,35

Таблица 4. Измеренные значения частоты дискретизации в непрерывном режиме преобразования при различных схемах калибровки

Непрерывный режим преобразования
Номинал, выб/с Без калибровки, выб/с Самокалибровка, выб/с Самокалибровка и системная калибровка, выб/с
1,9 1,97 1,96 1,96
3,9 3,93 3,93 3,93
7,8 7,86 7,86 7,86
15,6 15,72 15,72 15,72
31,2 31,45 31,43 31,28
62,5 62,90 62,87 62,84
125 125,79 125,74 125,67
250 251,57 251,49 251,31
500 503,09 502,41 502,74
1000 1006,06 1005,88 1005,52
2000 2011,99 2011,18 2010,86
4000 4024,04 4024,14 4023,34
8000 8048,29 8044,41 8043,76
16000 16096,15 16092,69 16084,93
32000 32199,21 32185,39 32175,03
64000 64391,50 64391,50 64377,69

Пример 2. Выполнение измерений по нескольким каналам

Датчики давления и тензодатчики, которые часто используются в весах, обеспечивают разное разрешение, в зависимости от диапазона чувствительности весов. Так, разрешающая способность бытовых весов для измерения массы тела никогда не будет такой же, как у лабораторных весов, используемых для измерения массы химических веществ. Химическая полировка материалов (Chemical Material Polishing, CMP) — еще одна операция, во время которой требуется с высокой точностью измерять давление, прикладываемое к пластине. В основе любого датчика давления, независимо от сферы его применения, лежит принцип преобразования механической энергии в электрическую.

Существуют различные схемотехнические решения для создания весов. В данном примере используются четыре тензометрических датчика, преобразующих величину механической деформации в электрический сигнал. Типовая конструкция тензометрического датчика давления представляет собой мост Уитстона, содержащий два тензорезистора и два обыкновенных резистора. Мост состоит из двух ветвей (последовательно подключенных резистора и тензорезистора), соединенных параллельно. При этом тензорезисторы располагаются на противоположных сторонах ветвей моста. В случае приложения усилия, между средними выводами ветвей моста формируется дифференциальное напряжение, пропорциональное этому усилию. Это напряжение измеряется АЦП и на основе полученного значения вычисляется давление, приложенное к датчику. На рисунке 5 приведена блок-схема типового проекта MAXREFDES82#, демонстрирующего создание интеллектуального датчика усилия с применением АЦПMAX11254.

Рис. 5. Блок–схема типового проекта MAXREFDES82#

Рис. 5. Блок–схема типового проекта MAXREFDES82#

В типовом проекте MAXREFDES82# используется режим 2 секвенсора. При этом АЦП выходит из спящего режима, поочередно выполняет преобразование по четырем каналам и снова переходит в спящий режим. Использование четырех датчиков давления позволяет определить центр масс и точку приложения усилия.

У АЦП MAX11254 имеется несколько линий ввода/вывода общего назначения, которые могут использоваться для различных целей, в том числе для синхронизации устройств, формирования внешнего тактового сигнала или просто в качестве цифрового выхода. В режимах 1 и 2 секвенсора пользователь должен самостоятельно управлять состоянием выводов GPO/GPIO, используя регистры GPO_DIR и GPIO_CTRL, тогда как в режиме 3 управление выводами GPO/GPIO может осуществляться автоматически. Выводы GPO посредством встроенных аналоговых ключей подключаются к выводу GPOGND АЦП. Это дает пользователю возможность разрывать линию общего провода датчика в то время, когда он не нужен, тем самым снижая потребление в любом из трех режимов работы секвенсора.

Пример 3. Построение энергоэффективной системы

Чтобы достичь максимальной энергоэффективности, систему можно спроектировать таким образом, чтобы она автоматически выходила из спящего режима, включала датчики и выполняла преобразование сигналов, после чего отключала датчики и возвращалась в спящий режим. Все эти операции могут быть реализованы с использованием режима 3 секвенсора. Используя выводы GPIO в качестве цифровых выходов, можно с их помощью управлять как самим датчиком, так и схемой его питания, например LDO-стабилизатором. Также можно подключить общие выводы датчиков к выводам GPO АЦП, чтобы разрывать цепи общих проводов датчиков на то время, пока они не нужны. Пример подключения общих точек двух мостов Уитстона к выводам GPO показан на рисунке 6.

Рис. 6. Пример подключения общих точек мостов Уитстона к выводам GPO АЦП MAX11254

Рис. 6. Пример подключения общих точек мостов Уитстона к выводам GPO АЦП MAX11254

Одна из проблем, связанных со включением и выключением датчиков, состоит в том, что в момент измерения по какому-либо каналу датчик, подключенный к этому каналу, может находиться в переходном состоянии. Поэтому в АЦП MAX11254 предусмотрен регистр задержки, отвечающий как за задержку преобразования, так и за задержку управления выводами GPO/GPIO. Правильно используя эти выводы, можно обеспечить большую эффективность работы всей системы.

Заключение

ИС MAX11254 – АЦП высокой степени интеграции, обладающий огромными функциональными возможностями, который можно применять практически в любом устройстве. Разрядность 24 бита и наличие PGA позволяют измерять сигналы с уровнями от пиковольт до вольт. Три режима работы секвенсора обеспечивают высокую гибкость при задании временных характеристик процесса обработки каналов и позволяют экономить энергию системы, уменьшая необходимость вмешательства со стороны процессора. Различные схемы калибровки обеспечивают выполнение точных и достоверных измерений, а функции управления линиями GPO/GPIO могут использоваться для создания более интеллектуальных и более энергоэффективных систем с датчиками.

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX11254ATJ+T (MAX)
MAX11254ATJ+ (MAX)
MAX11259AWX+T (MAX)
MAX11259PMB# (MAX)
MAXREFDES82# (MAX)
MAX11254ATJ/V+T (MAX)
MAX11254ATJ/V+ (MAX)
MAX11254EVKIT# (MAX)
MAX11259SYS1# (MAX)
MAX11259AWX+ (MAX)