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通用传感器接口UTI03


贡献者:不爱吃窝瓜    浏览:985次    创建时间:2015-04-13

  通用传感器接口UTI03
  中文名通用传感器接口UTI03
  类别接口芯片
  开发人Smartec和代尔夫特理工大学
  工作温度-40~180℃(裸机)
  目录
  1简介
  2特性
  3应用
  4概述
  5工作模式
  6传感元件测量理论
  三信号技术
  传感器的测量
  分辨率和精度
  线性度
  UTI的容性测量
  1简介
  通用传感器接口UTI03是荷兰Smartec联合荷兰代尔夫特理工大学实验室研制成功的。它是针对电阻式、微电容式、电阻桥式传感器而开发的接口芯片。它诞生的原因是:Smartec公司意识到这么多年来,有经验的工程师对模拟输出传感器,如铂电阻,热敏电阻,惠斯顿电桥等非常熟悉,他们需要一种可以把模拟传感器直接连上单片机的媒介。
  2特性
  为下列传感器提供接口:电容式传感器,铂电阻,热敏电阻,电阻桥传感器和电位计
  可以同时测量多个传感器
  单路供电2.9~5.5V,电流消耗低于2.5mA
  分辨率和线性度可达14位和13位
  偏置和增益的连续自动校正
  微处理器兼容的输出信号
  三态输出
  测量时间10ms或100ms,快慢模式可调
  几乎全部采用2/3/4线制测量方式
  传感器激励信号为交流电压
  抗 50/60Hz干扰
  掉电模式
  工作温度:-45~85℃ (DIL,SOIC)
  工作温度:-40~180℃(裸机)
  3应用
  自动化,医疗和工业等方面的应用
  精确温度测量(Pt,NTC)
  阻桥式的压力传感器等
  角度,位置感测
  容性传感器的参数测量
  电位计
  4概述
  UTI是基于一个周期调制的振荡器并用于低频测量的模拟前端。传感元件可直连在UTI上,且不需要任何外接电路,仅需一相同类型的参考元件。UTI的输出是周期调制信号,可与微处理器(MCU)兼容。UTI为下列元件提供接口:
  容性传感器0~2pF,0~12pF等,最大到300pF
  铂电阻Pt100 Pt1000
  热敏电阻1k~25k
  阻性电桥 250~10k 最大不平衡度±4%或±0.25%
  电位计1k~50k
  UTI对于基于智能MCU的系统非常适合。所有的信息只通过一MCU兼容的信号输出,这样大大的减少了各分立模块之间的外接线和耦合器。
  三信号技术连续地自校正增益和偏移量,斩波技术消除了低频信号的干扰。UTI具有16中工作模式,可通过相关的引脚进行设置。
  5工作模式
  UTI具有16种工作模式。这些模式被SEL1、SEL2、SEL3、SEL4这四个引脚控制。SF控制快慢模式,而PD控制掉电模式
  PD用作控制掉电模式。当PD=0,UTI掉电模式工作,对外呈现高阻抗。这使得多个UTI的输入可以连在一个线上,通过设置PD来选择其中一个UTI的输出信号传输至总线上。
  在模式CMUX下,CML引脚用于选择容值范围。当CML=1时,范围为0~12pF;当CML=0时,范围为0~2pF。而在其他模式下,CML通常接地。
  不允许任何引脚浮置,除非有特殊要求。
  6传感元件测量理论
  三信号技术
  三信号技术是一种在线性系统中消除未知偏置和未知增益的技术。为了利用这种技术,除了测量传感器的信号之外,还需用相同的方法测试两个参考信号,假设一线性系统的关系如下:
  Mi=kEi+Moff
  我们给系统设置3个不同的输入:E1=0,E2=Ere,E3=Ex 则:
  M1=Moff,M2=Mref=k*Eref+Moff,M3=Mx=k*Ex+Moff 算出:
  P=(M3-M1)/(M2-M1)=Ex/Eref
  对于线性系统,在上式中我们可以看到未知偏置和未知增益的影响被消除了,而且P代表这未知传感器信号与已知传感器信号之比,这种技术叫做三变量技术,或者三信号技术。尽管偏移量和增益的大小可能随时会变化,但是它们对结果都没有影响,因此,UTI具有自校正功能。
  使用三信号技术需要一MCU,它能数字化UTI的输出信号,并对数据进行存储和运算。这样一个综合传感器、信号处理电路(例如UTI)、MCU的功能模块叫做基于微处理器的智能传感系统。自校正的特性说明UTI性能不受温度影响。
  传感器的测量
  UTI输出是一周期调制信号,如下图,展示了两个由三相组成的完整周期:
  三信号技术要求必须给UTI提供三个或三个以上的输入,第一相时,输入一般为0;第二相是,输入切换到参考元件的输出;接下来的相UTI将测量一个或更多未知传感器的输出。上图描述的情况里只有一个未知传感器需被测量。UTI输入信号的控制完全能够由其本身控制,不需MCU的干涉。
  第一相时整个线性系统的偏置量被测量了;第二相时参考信号被测量了,最后一相未知传感器元件被测量了。各相持续的时间是与各相的被测信号呈比例关系,如下表:
  容性测量
  阻性测量
  Toff=NK1C0
  Toff=NK2V0
  Tref=NK1(Cref+C0)
  Tref=NK2(Vref+V0)
  Tx=NK1(Cx+C0)
  Tx=NK2(Vx+V0)
  Cx和Vx是须被测量的传感器的参数,Cref和Vref是参考信号,C0和V0是不变部分(包括电压偏移量等)。K1和K2是增益。因子N代表内部振荡器的周期数,快模式下,N=128;慢模式下,N=1024。Vx和Vref,可能分别是阻性传感与参考电阻两端的电压,也可能分别是阻桥传感输出电压与电桥供电电压;不同模式下代表代表不同的含义。UTI的输出能够通过计算每相MCU的时钟信号而数字化,结果就是Noff、Nref和Nx。因此比例Cx/Cref和Vx/Vref可以由MCU算出:
  P=(Nx-Noff)/(Nref-Noff)=Cx/Cref
  P=(Nx-Noff)/(Nref-Noff)=Vx/Vref
  因为P不取决于系统偏移量和增益,因此说系统具有自校正功能。
  上诉三相是分时测量的。第一相由两个周期组成(输出频率暂时的翻倍了)。正因如此,MCU能够识别各相并做出正确的计算。因为第一相(偏置相)总是最短的,这也能被用识别各相。一般一整个输出信号周期含相数3到5个,这主要取决于UTI的工作模式。每个特定的工作模式有固定的周期数。通常UTI测试都有一个偏置量的测量、一个参考量的测量和一个或多个的未知元件的的测量。
  分辨率和精度
  UTI输出由MCU数字化。但数字化过程引入了量化干扰,它会限制UTI的分辨率。任何相的量化干扰造成的误差,由下式决定: σ=ts/2.3*Tphase
  ts是取样时间,Tphase是相持续时间。例如:ts=1us,Tphase=20ms,σ=1/45000,由此推出慢模式下最大分辨率为15.5BIT,而快模式下为12.5BIT。
  为进一步改善分辨率可取M1… Mp后取平均值,σ将减小p倍。
  线性度
  一般UTI的线性度位于11BIT与14BIT之间,这主要取决于工作模式。
  UTI的容性测量
  一般测量电容的方法是并联,UTI的测量方法则比较特殊:
  传统测量电容的方法中,电路电容并联被测电容。避免测量小电容时长电缆的影响是比较难的。UTI采用基于电荷转移的四电极法解决了这个问题,电容激励来自一个电源。这说明Cp1个并联在电压源上,因此不是测试电路的一部分。Cx上的电荷被一接地的电荷放大器吸收,说明Cp2被短路了。采用四电极发测电容可小至aF级别,而电缆线的寄生电容可能会有上百pF。
  从上诉的"非线性度与寄生电容的关系图"中可以看出,寄生电容为500pF时,非线性度为10E-3。
  当测量多个电容时,每个节点(例如A、B、C、D、E、F)会被依次激活一段特定的时间。节点在没有激活时是接地并相互并联的,所以对测量没有影响。节点的激活转换完全有UTI自动控制。在CMUX模式下,被测电容的数目是没有限制的。


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