Датчики и преобразователи Texas Instruments: разнообразие решений для всех типов измерений. Часть 2

12 ноября 2015

LMP91000

Texas Instrumentsстатья

Датчики Холла для измерения месторасположения, скорости движения и ускорения объекта; датчики давления газов и жидкостей; температурные датчики, датчики определения тока шунта; преобразователи для работы с электрохимическими элементами для определения газа и преобразователи для недисперсионных инфракрасных (НДИК) датчиков – это лишь небольшая часть линейки надежных и качественных интегральных датчиков производства компании Texas Instruments.

Продолжая краткий обзор решений производства компании Texas Instruments для систем измерений, рассмотрим решения, предназначенные для измерения магнитного поля, тока, температуры, давления, наличия газа. Представленные микросхемы предназначены для систем автоматизации, промышленного и автомобильного применения.

Датчики на эффекте Холла

Помимо емкостного и индуктивного бесконтактного способов для определения месторасположения объекта, определения его скорости передвижения и ускорения, возможно использование датчиков на эффекте Холла. Условием применения датчиков Холла является наличие магнитного поля, под воздействием которого возникает электрическое поле, использующееся для дальнейших измерений. Несмотря на то, что в изделиях с применением датчиков Холла обязательно должен присутствовать магнит, они широко используются благодаря своим свойствам: повышенной надежности, способности работы в жестких температурных условиях и в условиях повышенного загрязнения.

В номенклатуре Texas Instruments представлены интегрированные датчики Холла с различным функционалом: ключи, переключатели, датчики с аналоговым выходом (таблица 1).

Таблица 1. Основные характеристики семейства DRV5000

Наименование DRV5013 DRV5023 DRV5033 DRV5053
Напряжение питания, В 2,5…38
Порог отключения тип., мТл -2,7; -6; -12 +14,5; +6 ±3,5
Рабочая точка тип., мТл +2,7; +6; +12 +6,9; +3,2 ±6,9
Тип выхода Открытый сток Аналоговый 0,2…1,8 В
Функциональность Тригер Ключ Омниполярный ключ Измерение поля
Чувствительность тип., мВ/мТл -11; -23; -45; -90; +23; +45
Рабочая температура, °С -40…125
Корпус SOT-23, TO-92

Все представленные датчики Холла объединяют следующие свойства:

  • наличие интегрированной схемотехники для предварительной обработки сигнала;
  • встроенные схемы защиты от внешних электрических воздействий;
  • широкий диапазон напряжения питания;
  • высокая степень повторяемости результатов измерений;
  • бесконтактный принцип работы;
  • неподверженность внешним загрязнениям и радиочастотным помехам;
  • постоянный отклик в диапазоне температур;
  • совместимость по выводам и малая стоимость.

На сегодняшний день все датчики Холла производства компании Texas Instruments выпускаются в двух исполнениях: промышленном и автомобильном. Основное отличие датчиков в автомобильном исполнении – соответствие микросхем стандарту AEC-Q100, а также расширенный температурный диапазон -40…150°С.

Более подробно об особенностях представленных датчиков Холла можно прочитать в отдельной статье в этом же номере журнала.

Датчики давления

Точное измерение давления достаточно критично для многих промышленных и коммерческих применений. Датчики давления обычно используются для измерения давления газов и жидкостей. Существует несколько типов датчиков давления, различающихся выходными показаниями: датчик абсолютного давления показывает значение давления относительно вакуума; датчик избыточного давления измеряет давление относительно атмосферного; датчик перепада давления показывает разницу между двумя входами.

Для всех типов измерения в линейке продуктов Texas Instruments можно найти много испытанных временем решений – это и простейшие АЦП с предварительным усилителем (ADS1115/18, ADS1120/ADS1220, ADS123X), и АЦП с расширенным функционалом (ADS124X, LMP90100, LMP90080), позволяющие проводить мостовые измерения.

Однако особого внимания заслуживают новые микросхемы, предоставляющие возможность полного цикла обработки сигнала от резистивного мостового датчика – PGA900, PGA300 и PGA400. Эти микросхемы позволяют упростить процесс калибровки, увеличив точность измерения. Также упрощается процесс выбора самого датчика, так как ослабляются требования, предъявляемые к нему.

Микросхема PGA900 представляет собой законченное решение для преобразования сигнала, получаемого от различных типов резистивных датчиков (рисунок 1). Микросхема выполнена в 36-выводном корпусе VQFN (6×6 мм) и предназначена для работы в широком диапазоне напряжения питания (3,3…30 В) и рабочих температур (-40…150°C). Для преобразования сигнала датчика в PGA900 интегрированы два канала предварительной обработки с АЦП 24-бит и предварительным усилителем с переменным коэффициентом усиления. АЦП обеспечивают цифровой поток с максимальной частотой 15,6 кГц. Полученный оцифрованный сигнал на выходе АЦП может быть обработан согласно программе, задаваемой пользователем, при помощи встроенного контроллера ARM Cortex M0. С помощью встроенного кода можно провести линеаризацию, температурную компенсацию и привести сигнал к необходимому формату для передачи по одному из возможных интерфейсов. В качестве выходного интерфейса в PGA900 предусмотрено использование одного из множества выходов: потенциальный выход, выход ШИМ, токовый выход 4…20 мА. Кроме того, все внутренние регистры доступны через стандартные интерфейсы: SPI, I2C, UART. В дополнение к стандартным интерфейсам возможно использование однопроводного интерфейса (OWI). OWI позволяет получать данные и конфигурировать параметры микросхемы через вывод питания без использования каких-либо дополнительных линий.

Рис. 1. Блок-схема PGA900

Рис. 1. Блок-схема PGA900

Среди особенностей встроенного процессора Cortex M0 стоит отметить наличие в нем 8 кбайт памяти программ, 1 кбайт ОЗУ. Так как программные 8 кбайт памяти являются однократно программируемыми, чтобы свести к минимуму влияние ошибок на окончательный результат, для отладки программы предусмотрено использование 8 кбайт дополнительного ОЗУ. Отдельно стоит отметить наличие встроенных 128 байт EEPROM для хранения поправочных коэффициентов. Таким образом, в отличие от PGA309, отпадает необходимость в использовании дополнительной микросхемы.

Когда для обработки сигнала не требуется сложных алгоритмов, то вместо PGA900 можно использовать PGA300, который по сути является упрощенной версией PGA900. В PGA300 используется такой же тракт на входе, только вместо процессора для нормирования сигнала применяется статическая логика. С ее помощью можно обеспечить функцию нормирования третьего порядка. Также в PGA300 уменьшено количество выходных интерфейсов: доступны потенциальный выход, выход токовой петли 4…20 мА и однопроводной интерфейс (OWI).

Еще одной микросхемой, обеспечивающей полный цикл обработки сигнала датчиков является PGA400-EP (рисунок 2). По функционалу она похожа на PGA900, за исключением параметров внутренних блоков. Так, в PGA400 в аналоговом тракте используются АЦП 16-бит в канале для обработки мостового датчика и АЦП 10-бит для измерения температуры. В качестве встроенного процессора используется контроллер с архитектурой 8051 и тактовой частотой 10 МГц. Из внешних интерфейсов в микросхеме доступны цифровые – SPI, I2С, OWI, 4 GPIO, и два аналоговых выхода со встроенных ЦАП.

Рис. 2. Функциональная схема PGA400

Рис. 2. Функциональная схема PGA400

Для оценки функциональности любой из микросхем обработки сигнала Texas Instruments предлагает отладочный комплект с использованием реальных датчиков, с помощью которого возможно оценить, насколько решение подходит для конкретной задачи. На сайте TI доступны для заказа PGA900EVM, PGA400Q1EVM, PGA300EVM.

Температурные датчики

Самым распространенным датчиком, использующимся в большинстве изделий, является датчик температуры. Чтобы обеспечить разработчиков необходимым инструментом для измерения температуры, TI предоставляет широкий набор из более чем 100 микросхем, в котором найдутся все возможные решения для контактного и бесконтактного измерения локальной температуры, управления термостатами, измерения с помощью удаленных датчиков. Эта линейка формировалась с 1970 года, когда компанией National Semiconductor, которая теперь является частью Texas Instruments, был выпущен первый в мире интегральный датчик температуры LM3911.

В своей основе температурные датчики используют свойства кремниевого p-n-перехода, зависимость которого от температуры достаточно линейна и предсказуема. Температурные датчики могут обеспечить достаточную точность без дополнительной калибровки системы в целом.

Температурные датчики являются хорошей альтернативой термисторам в схемах контроля, защиты, калибровки и управления. Они обеспечивают хорошую линейность, малое потребление, гарантированную точность, высокую управляемость, дополнительный функционал и предоставляют большое разнообразие аналоговых и промышленных интерфейсов. Также, поскольку ток потребления таких решений достаточно мал, саморазогрев практически не влияет на результаты измерения.

Среди новинок аналоговых температурных датчиков TI следует отметить LMT70, LMT8x и LMT9x, которые, благодаря своим параметрам и цене, являются достойной альтернативой термисторам (таблица 2). Представленные микросхемы при малом размере (SC70, SOT23, DSBGA) сочетают в себе высокую точность, малое потребление и простоту использования. Большая часть микросхем обеспечивает точное и надежное измерение в диапазоне -50…150°C. Основное отличие аналоговых температурных датчиков от термисторов состоит в том, что они обеспечивают линейную зависимость выходного напряжения от изменения температуры, это отражается на высокой точности в широком диапазоне температур. В дополнение аналоговые температурные датчики занимают меньше места на плате, так как, в отличие от термисторов, при их использовании нет необходимости применять резистивную цепочку. Кроме того, аналоговые температурные датчики рассеивают меньше мощности, так как изначально потребляют меньший ток.

Таблица 2. Параметры температурных датчиков

Наименование LMT70 LMT70A LMT84 LMT85 LMT86 LMT87 LMT88 LMT89 LMT90
Точность измерения тип., ± °С 0,05* 0,4 1,5 3
Диапазон рабочих температур, °С -55…150 -55…130 -40…125
Напряжение питания, В 2…5,5 1,5…5,5 1,8…5,5 2,2…5,5 2,7…5,5 2,4…5,5 4,5…10
Чувствительность, мВ/Deg °С -5,19 -5,5 -8,2 -10,9 -13,6 -11,77 10
Ток потребления макс., мкА 12 9 10 130
Корпус DSBGA SC70, TO-92 SC70 SOT-23

* – В диапазоне температур 20…40°C.

Линейка LMT8x предлагает достаточно широкий выбор датчиков с различной чувствительностью -5,5…-11,77 мВ/°С, выполненных в стандартных корпусах: 5-выводном корпусе SC70 для планарного монтажа и 3-выводном TO-92 для выводного монтажа. У микросхем достаточно малый ток потребления – типовой ток 5 мкА, в худшем случае – не превышающий 10 мкА. При этом максимальная погрешность измерения составляет ±2,5°C (LMT89) и ±2,7°C (LMT84/85/86/87) во всем рабочем диапазоне температур. Также следует отметить, что микросхемы LMT84, LMT88, LMT89 в исполнении SC70 совместимы по выводам между собой, а также с промышленными стандартами LM20 и LM35. Расположение же выводов у LMT85, LMT86 и LMT87 отличается, при этом точность и линейность измерений остается на том же высоком уровне. Еще одно отличие линейки LMT8x – выходной каскад. В LMT84…LMT87 используется выходной двухтактный усилитель с выходным током ± 50 мкА, что позволяет работать на емкостную нагрузку до 1,1 нФ. В LMT88 и LMT89 используется выходной однотактный усилитель с выходным током -1 мкА/+16 мкА, который обеспечивает работу на емкостную нагрузку до 300 пФ. Такая нагрузочная способность позволяет использовать эти датчики с большинством АЦП без дополнительных драйверов.

Датчики семейства LMT8x предназначены для работы при малых напряжениях питания: менее 5,5 В ±10%. LMT84 обеспечивает свои параметры при минимальном напряжении питания 1,5 В. Для решений, где напряжение питания более 5 В, будет интересен температурный датчик LMT90, максимальное рабочее напряжение которого – 10 В. Кроме того, в отличие от линейки LMT8x, у LMT90 положительная зависимость выходного напряжения от температуры +10 мВ/°C, и доступен он только в корпусе SOT23. При этом за счет своей архитектуры LMT90 может использоваться практически с любой емкостной нагрузкой.

а)

а)

б)

б)

Рис. 3. Функциональная диаграмма LMT70 (а) и зависимость точности измерения от температуры (б)

Для решений, где важна совокупность высокой точности, малого энергопотребления, линейности без дорогой предварительной разбраковки и калибровки, стоит обратить внимание на LMT70/70A (рисунок 3). Данная микросхема является отличной заменой промышленных терморезисторов или прецизионных термисторов. На сегодняшний день это одно из прецизионных решений для измерения температуры. Благодаря высокой точности в диапазоне 20…42°С (типовой разброс ±0,05°C) LMT70 как нельзя лучше подходит для измерения температуры тела. При этом полный рабочий диапазон микросхемы составляет -40…150°С, в полном диапазоне микросхема также показывает высокую точность – не хуже ±0,36°C. Основное различие между LMT70 и LMT70A – это то, что разброс показаний между любыми двумя микросхемами LMT70A, взятыми из одной партии, составляет не более 0,1°С, что позволяет использовать их в устройствах, где важно измерение разности температур. При этом ток потребления датчика – менее 12 мкА, что значительно меньше тока, протекающего через терморезистор. Еще одной полезной особенностью LMT70 является возможность отключить выход температурного датчика от выхода микросхемы при помощи внутреннего встроенного ключа, что дает возможность измерять температуру несколькими датчиками, подключенными на вход одного АЦП.

а)

а)

б)

б)

Рис. 4. Функциональная диаграмма LMT01 (а) и схема включения LMT01 (б)

Другой интересной новинкой среди датчиков температуры можно назвать 2-выводной цифровой температурный датчик LMT01 (рисунок 4). Основной его особенностью является примененный цифровой интерфейс, представляющий собой последовательность импульсов, количество которых пропорционально измеренной температуре. Данные передаются последовательностью токовых импульсов и обновляются каждые 100 мс. Такой интерфейс позволяет легко сопрягать датчик с контроллером через стандартный порт ввода-вывода. Для этого достаточно использовать внутренний компаратор либо внешний транзистор, работающий в ключевом режиме. Количество импульсов может быть подсчитано либо программно, либо с использованием внутреннего счетчика. Для передачи данных используются те же линии, что и для подачи питания, что упрощает процесс подключения датчика.

Датчик LMT01 предназначен для измерения температуры в диапазоне -50…150°С и обеспечивает точность не хуже 0,7°С во всем рабочем диапазоне. В диапазоне температур -20…90°С датчик обеспечивает точность не хуже 0,5°С с разрешающей способностью 0,0625. При напряжении питания 2…5,5 В собственный ток потребления в режиме измерения составляет 34 мкА, а в режиме передачи данных импульсный ток может достигать максимум 143 мкА. Малые токи позволяют использовать данный датчик в устройствах с батарейным питанием. К дополнительным преимуществам можно отнести высокую помехозащищенность, что достигается встроенной схематикой, предназначенной для подавления EMI, и цифровой природой передаваемого сигнала. Нечувствительность к наводкам и двухвыводное исполнение позволяют использовать датчик как для измерения температуры на плате, так и для использования в качестве удаленного. Учитывая повышенную линейность, малое потребление, помехозащищенность, двухвыводной корпус, применение LMT01 является хорошей альтернативой термисторам.

Рис. 5. Отладочная плата LMT01EVM

Рис. 5. Отладочная плата LMT01EVM

Для оценки характеристик температурных датчиков компания Texas Instruments предлагает воспользоваться готовыми отладочными платами. К комплекту плат предлагается программа с графическим пользовательским интерфейсом, с помощью которой возможно вывести на экран результаты измерений. Из особенностей отладочных плат LMT70EVM и LMT01EVM (рисунок 5) стоит отметить следующие: кроме того, что платы выполнены в виде USB-stick, что облегчает подключение, у пользователя есть возможность отделить часть платы с датчиком и проверить его функциональность в качестве удаленного компонента. При экспериментировании с LMT01, дополнительно можно «отломать» транзисторный преобразователь уровня и проверить работу со встроенным компаратором микроконтроллера.

Измерение тока шунта

Основная задача при измерении тока – определение текущего потребления либо всей системы, либо отдельных питающих линий. Измеренное значение тока может быть использовано для дальнейших решений таких задач как защита оборудования, управление процессами, калибровка изделий. Для измерения тока используются либо косвенное определение с помощью измерения значений магнитного поля в проводнике, либо непосредственное измерение в токовой линии.

Простейшим способом измерения силы тока является его определение при помощи резистивного шунта. При данном методе измерения величина силы тока определяется посредством измерения падения напряжения на низкоомном резисторе, включенном в токовую линию. Данный способ обеспечивает хорошую точность и малую восприимчивость к шумам при низкой цене в сравнении с магнитным способом измерения. TI предлагает широкий выбор решений для измерения тока с помощью шунта, которые могут быть использованы для контроля цепей питания, управления двигателями и зарядом/разрядом аккумуляторов.

Все предлагаемые решения можно разделить по типу выходного сигнала на применения с цифровым выходом, с потенциальным выходом, с токовым выходом. В номенклатуре TI на сегодняшний день насчитывается более 90 усилителей, помогающих измерить значение силы тока, протекающего через шунт.

а)

а)

б)

б)

Рис. 6. Функциональная диаграмма с типовым включением (а); пример печатной платы с использовани-
ем INA250 (б)

Одним из интересных решений является INA250 (рисунок 6). Основная особенность – то, что это пока единственная микросхема TI cо встроенным резистивным шунтом, предназначенная для измерения тока. Встроенный шунт 2 мОм имеет высокую точность (0,1%) и малый дрейф (15 ppm/°С) во всем рабочем диапазоне температур -40…125°С. Он позволяет оптимизировать трассировку сигнальных линий на печатной плате, тем самым устраняя влияние паразитных сопротивлений. Шунт предназначен для измерения постоянного тока до 15 А. При этом возможные кратковременные выбросы тока более 15 А не приведут к потере работоспособности микросхемы. Тщательное согласование шунта с усилителем позволяет достичь малого значения ошибки коэффициента усиления – во всем температурном диапазоне она не превышает 0,75%. Доступны четыре версии микросхемы с различными коэффициентами усиления: 200 мВ/A, 500 мВ/A, 800 мВ/A и 2 В/A. Наличие нескольких вариантов усиления позволяет достичь максимальной амплитуды выходного напряжения, исходя из реального значения силы тока в изделии. Микросхема INA250 позволяет измерять ток в обоих направлениях и может быть использована как в верхнем, так и в нижнем плече схемы. Микросхема работает при напряжении питания 2,7…36 В и потребляет при этом ток 300 мкА. При этом, независимо от величины напряжения питания, ток может быть измерен при входном синфазном напряжении 0…36 В.

Преобразователи для обнаружения газа

Приборы обнаружения газа детектируют уровень его содержания в окружающей среде. Такие приборы являются важной частью систем контроля качества воздуха, где важно отслеживать концентрацию газа и наличие токсических веществ.

Для определения газа применяют различные датчики: металлоксидные, электрохимические, катализаторные, инфракрасные.

В линейке продукции Texas Instruments представлены преобразователи для работы с электрохимическими элементами для определения газа и преобразователи для недисперсионных инфракрасных (НДИК) датчиков.

а)

а)

б)

б)

Рис. 7. Функциональные схемы: а) LMP91000; б) LMP91002

Для определения газа с помощью электрохимического элемента на его рабочих электродах необходимо создать возбуждающее напряжение, после чего по величине токового отклика можно определить содержание искомого газа. Электрохимические элементы, в зависимости от типа используемых электродов, производятся в двух вариантах корпусов: в двухвыводном и трехвыводном. Для работы с различными типами электрохимических элементов возможно использование преобразовательных микросхем LMP91000 и LMP91002. Оба устройства выполнены в 14-выводном WSON-корпусе, совместимы по выводам и обладают сходным функционалом (рисунок 7). Микросхемы предназначены для работы в температурном диапазоне -40…85°С и способны детектировать ток в диапазоне 5…750 мкА. Встроенный программируемый трансимпедансный усилитель преобразует полученный ток в выходное напряжение, которое используется для дальнейшего анализа. Коэффициент усиления трансимпедансного усилителя, как и ряд других характеристик, задается через I2C-интерфейс. Малый ток потребления микросхем (менее 10 мкА) делает это решение идеальным для устройств с батарейным питанием или для систем с двухпроводным интерфейсом 4…20 мА. Среди особенностей, присущих LMP91000, стоит отметить наличие встроенного температурного датчика, возможность программировать возбуждающее напряжение, рабочее напряжение 2,7…5,25 В. Это позволяет использовать LMP91000 с большинством электрохимических элементов. LMP91002 является упрощенной бюджетной версией с рабочим напряжением 2,7…3,6 В.

Для предварительной обработки сигнала НДИК-датчиков предназначены микросхемы LMP91050 и LMP91051 (рисунок 8). Микросхемы оптимизированы для работы с термоэлектрическими преобразователями, которые используются в НДИК-датчиках. Несмотря на различие в корпусах (LMP91050 – 10-выводный VSSOP; LMP91051 – 14-выводный TSSOP) и наличия у LMP91051 двух входов, в то время как у LMP91050 – один, микросхемы обладают одинаковым функционалом. Гибкость настройки параметров сигнального тракта позволяет использовать микросхемы с большинством представленных на рынке термоэлектрических преобразователей в температурном диапазоне -40…105°С.

а)

а)

б)

б)

Рис. 8. Функциональные схемы: а) LMP91050; б) LMP91051

Все параметры сигнального тракта задаются через SPI-интерфейс. С помощью двух каскадов усилителей с переменным коэффициентом можно установить оптимальный коэффициент усиления. Программируемые усилители обеспечивают малый уровень шума (0,1 мкВ rms) и малый температурный дрейф коэффициента усиления (менее 20 ppm/°C). В случае необходимости есть возможность использовать внешний фильтр. Встроенный ЦАП позволяет компенсировать напряжение смещения темнового уровня термоэлектрического элемента. Кроме этого, можно отрегулировать величину синфазного напряжения датчика таким образом, чтобы для измерения использовать полный входной диапазон АЦП.

Для облегчения начала работы с микросхемами сопряжения с НДИК-датчиками компания Texas Instruments предлагает воспользоваться отладочными платами LMP91051EVM и LMP91050SDEVAL. Для оценки возможностей микросхем сопряжения с электрохимическими элементами доступна LMP91000EVM. Используя отладочные платы совместно с SPIO-4 и программным интерфейсом «Sensor AFE software» можно управлять параметрами микросхем, вычитывать и визуализировать полученные данные на мониторе компьютера. Плата SPIO-4 предназначена для захвата данных с преобразовательных микросхем и последующей передачи их через USB в компьютер для дальнейшей обработки.

 

Заключение

Для каждого решения с применением датчиков Холла, температурных датчиков, усилителей тока, резистивных датчиков, датчиков газа компания Texas Instruments предлагает изделия с уникальными свойствами и характеристиками, будь-то прецизионный резистивный шунт в INA250, оригинальный цифровой однопроводной интерфейс LMT01 или высокая точность измерения ±0,05°C в LMT70. Для легкого старта разработок с применением продукции компания TI предоставляет набор отладочных средств и программного обеспечения.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее