Применение АЦП MAX11254 совместно с датчиками давления

10 сентября 2020

Исключительные характеристики АЦП MAX11254, включая наличие нескольких дифференциальных входных каналов, низкий уровень шума, внутренний усилитель с широким программируемым диапазоном усиления и малое энергопотребление, позволяют успешно применять данную микросхему производства Maxim Integrated в проектировании датчиков давления.

Датчик давления измеряет силу, создаваемую давлением газа, жидкости или какого-либо предмета на определенную поверхность, приложенную к единице площади. Датчик преобразует это воздействие в электрический сигнал в виде напряжения, соответствующего приложенной силе. Как правило, значение этого выходного напряжения составляет всего несколько милливольт. Для регистрации такого низковольтного сигнала необходимо достаточно чувствительное устройство с высокой точностью, например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) MAX11254 производства компании Maxim Integrated.

Основные характеристики АЦП MAX11254

MAX11254 представляет собой 6-канальный 24-битный дельта-сигма-АЦП, обеспечивающий исключительную производительность при потреблении всего 2,2 мА в рабочем режиме и 1 мкА – в спящем. Частота дискретизации до 64 киловыборок/с позволяет измерять напряжение с высокой точностью, а внутренний дифференциальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления (Programmable Gain Differential Amplifier, PGA) 1…128 и уровнем шума 6,2 нВ/√Гц делает его идеальным для обработки информации с датчика давления с низким выходным сигналом.

В таблице 1 представлены значения уровня шума, приведенного ко входу MAX11254 при однократном преобразовании, взятые из документации микросхемы. Как видно из таблицы, входной шум микросхемы MAX11254 при частоте дискретизации 50 выборок/с как минимум в 13 раз ниже (0,81 мкВ_RMS), чем при более высокой частоте дискретизации 12,8 киловыборок/с (10,8 мкВ_RMS).

Таблица 1. Зависимость уровня шума от режима работы и коэффициента усиления (PGA) при однократном преобразовании (мкВ_RMS)

В режиме НШ микросхема потребляет примерно на 1 мА больше чем в режиме с малым энергопотреблением, однако входной шум в этом режиме, как правило, оказывается на 40% меньше.

Уменьшение входного шума при понижении частоты дискретизации приводит к более высоким значениям отношения «сигнал/шум» (SNR) и отношения «сигнал/шум + искажение» (SINAD). Таким образом, с понижением частоты дискретизации возрастает эффективная разрядность (ENOB), определяемая по формуле 1:

$$ENOB=\frac{SINAD-1.76}{6.02}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

На рисунках 1…4 показаны изменения эффективной разрядности в зависимости от частоты дискретизации до 64 киловыборок/с при однократном и непрерывном преобразованиях.

Рис. 1. Эффективная разрядность MAX11254 без усилителя и с усилением 1 и 128 при однократном преобразовании в зависимости от частоты дискретизации до 1 квыб./с

Рис. 2. Эффективная разрядность MAX11254 без усилителя и с усилением 1 и 128 при однократном преобразовании, в зависимости от частоты дискретизации до 12,8 квыб./с

Рис. 3. Эффективная разрядность MAX11254 без усилителя и с усилением 1 и 128 при непрерывном преобразовании, в зависимости от частоты дискретизации до 1 квыб./с

Рис. 4. Эффективная разрядность MAX11254 без усилителя и с усилением 1 и 128 при непрерывном преобразовании, в зависимости от частоты дискретизации до 64 квыб./с

Данные измерений, представленные на рисунках 1…4, подтверждают, что максимальная эффективная разрядность 22,5 бит достигается при наименьшей частоте дискретизации. Следовательно, для более точной регистрации малого выходного напряжения датчика давления требуется более низкая частота дискретизации. Причина состоит в том, что снижение частоты дискретизации пропорционально уменьшает шум из-за более узкой полосы пропускания, поэтому эффективная разрядность и оказывается выше при низких частотах дискретизации. Кроме этого, стоит учитывать, что использование усилителя обычно приводит к увеличению эффективной разрядности по сравнению с измерением без усилителя, напрямую от модулятора АЦП, так как шум усилителя ниже, чем шум модулятора.

На рисунке 5 показано подключение АЦП MAX11254 для измерения выходного напряжения с датчика давления MPXV10GC6U.

Рис. 5. Подключение АЦП MAX11254 к датчику давления

Измеряя выходное напряжение датчика при нулевом давлении, прецизионный вольтметр Agilent 34401A показывает значение 19,998 мВ. MAX11254 измеряет это напряжение как 20,034 мВ. При увеличении давления до 0,095 кгс/см² MAX11254 регистрирует выходное напряжение датчика, равное 53,103 мВ. На рисунках 6, 7 и 8 показаны графики напряжения, измеренного MAX11254, в зависимости от давления и данные, полученные с помощью программного обеспечения MAX11254EVKIT.

Рис. 6. Передаточная характеристика датчика давления

Рис. 7. Выходное напряжение MAX11254 при нулевом давлении

Рис. 8. Точность выходного напряжения MAX11254 в зависимости от давления на датчике MPXV10CC6U

Заключение

Датчики давления обычно имеют выходное напряжение всего в несколько милливольт, что требует малошумящих и высокоточных АЦП с большим динамическим диапазоном усиления. АЦП MAX11254 отвечает этим требованиям, поскольку имеет исключительно низкий шум 6,2 нВ/√Гц и внутренний усилитель с диапазоном усиления 1…128, который, кроме этого, обеспечивает изоляцию входного сигнала. При использовании MAX11254 не требуются другие внешние усилители. Благодаря встроенному секвенсору и шести дифференциальным входам микросхема MAX11254 поддерживает поочередное сканирование выбранных аналоговых каналов, а также имеет настройку задержки преобразования и выполняет математические преобразования. Это делает его идеальным устройством для автоматического мониторинга датчика давления.

Оригинал статьи

Перевела Софья Букреева по заказу АО КОМПЭЛ