Signalerna från analoga sensorer kräver ett gränssnitt för sedan kunna bearbetas vidare av digitala kretsar. XR10910, först i en ny serie kretsar från Exar,  erbjuder en integrerad lösning till lägre kostnad , som integrerar ett stort antal kanaler och funktioner på ett litet fotavtryck och som drar lägre effekt än konkurrerande enheter.

Sensorer används i en mängd olika marknader för konsumenter och industri, från mobiltelefoner och surfplattor till precisionsdetektering, avståndsmätning, identifiering/bildbehandling och applikationer inom processinstrumentering. Många av dessa system innehåller flera analoga sensorer för att göra enheter mer intelligent, effektiv och produktiv. Dessa sensorer kan användas för att detektera tryck, temperatur, kraft, läge, temperatur, ljus, flöde, ljud, hastighet, värme, etc.
Mängden sensorer i flertalet apparater i ditt hem kan överraska dig. Tag som exempel dagens tvättmaskiner. De har sensorer som känner av motorström, trumhastighet, vattennivå, vattenflöde, vattentemperatur, obalans, öppen eller stängd dörr. Vissa av dem använder även beröringskänsliga ytor, ”touch-kontroll”, för inställning av förloppet.
Högeffektiva toppmatade tvättmaskiner bestämmer vattennivån för varje mängd kläder på basis av vikten av dessa. Sensorer och teknik för sensorgränssnitt möjliggör den långa listan av effektiva och säkerhetsmässiga funktioner i dagens hushållsmaskiner.
Analoga sensorer producerar en elektrisk signal som vanligen är mycket liten och som är omgiven av brus och störningar. I många fall är inte någon sensor lik den andra. Varje sensor bär sin egen unika brussignatur och introducerar egen ”offset-spänning” i signalvägen. Att kunna kalibrera systemet, skilja signal från brus och förstärka är viktigt för systemets prestanda.

Signalkonditionering
Mellan den analoga givaren och digital signalbehandling ligger ett viktig elektroniskt gränssnitt som bearbetar (”conditioning”, konditionerar)  den elektriska signalen för att säkerställa att den ligger inom arbetsområdet för den efterföljande A/D-omvandlaren.
Dagens industriella system använder flera sensorer och sensortyper, vilket skapar ännu större krav på signalbearbetning. System med multipla sensorer kräver olika nivåer av kalibrering och förstärkning för att på lämpligt sätt bearbeta sensorsignalerna och överföra dem till den efterföljande A/D-omvandlaren.
Den ökande användningen av sensorer i våra elektroniska apparater och utrustning har ökat behovet av mer mångsidiga och billigare lösningar för sensorgränssnitt.
Konditionering av sensorsignaler kan utföras med diskreta lösningar, där ett flertal  komponenter ingår. I många fall kan diskreta lösningar av sensorgränssnitt innebära variabel förstärkning eller justerbar offset för varje sensoringång. Diskreta lösningar drar ofta högre effekt, kräver större utrymme och kräver längre konstruktionstider än en integrerad lösning. Integrerade sensorgränssnitt för analog ”front end”  (AFEs) finns att tillgå från många leverantörer.
De flesta innehåller  en processor av samma slag som finns i kundens slutsystemet och dessa kan inkludera matematik på hög nivå och minnesskydd, något som inte behövs i de flesta applikationer och som därför ger onödiga kostnader. Sensorgränssnittet med analog ingång, XR10910 från Exar,  erbjuder en integrerad lösning till lägre kostnad och som integrerar ett stort antal kanaler och funktioner på ett litet fotavtryck och som drar lägre effekt än konkurrerande enheter. De unika funktionerna i XR10910 ger större designflexibilitet än diskreta eller konkurrerande AFE-lösningar.

16 kanaler
I sensorgränssnittet XR10910 ingår en 16:1 differentiell multiplexer, en programmerbar instrumentförstärkare, en 10 bit A/D-omvandlare med ”offset”-korrigering och en LDO. Funktionerna XR10910, med dess egenskaper, styrs av ett I2C-gränssnitt. Kretsen har prestanda och funktioner som kompletterar dagens microcontrollers (MCU) eller fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA) med inbyggda A/D-omvandlare. Fig 1 illustrerar blockschemat över XR10910.

Fig 1. XR10910 Blockschema

Den XR10910 är en av de enda sensor gränssnitts AFEs på marknaden som erbjuder möjligheten att samverka med 16 differentialutgångssensorer. Varje sensor är ansluten till XR10910 har sin egen inneboende förskjutning att om inte kalibreras bort kan minska känsligheten och totala prestanda sensorsystemet. Den inbyggda DAC introducerar en offset in i instrumentförstärkaren att kalibrera förskjutningsspänningen som alstras av sensorerna. En oberoende offset kan ställas in för var och en av de 16 kanalerna.
Den programmerbara instrumentförstärkaren erbjuder åtta valbara förstärkningsfaktorer, från 2 V/V till 760 V/V, för att förstärka signalen så att den faller inom A/D-omvandlarens linjära inspänningsområde. XR10910 innehåller även en inbyggd LDO som systemkonstruktörer kan använda för att ge en reglerad spänning för att spänningsförsörja sensorerna.
XR10910 spänningsmatas med 2,7 V till 5 V och kan ge spänningar för digitala kretsar mellan 1,8 V till 5 V. Strömförbrukningen är typiskt 457 µA men den kan i viloläge sänkas till bara 45 µA.

Brusgolvet på 16 bits nivå
Exars AFE ger 14 bit linjäritet i signalvägen och ett lågt topp-till-topp-brus ( 2 μV_pp på G = 760) och låg inspänning buller (35 nV/√ Hz vid G = 760). Se fig 2 och 3. Det låga brus som XR10910 ger i kombination med möjligheten till låg ”bias”-ström  (100 pA max) gör att denna AFE kan användas tillsammans med ett brett sortiment av sensorer och passar utmärkt ihop med en 16 bit A/D-omvandlare.

Fig 2. Ingångsspänningsbrus som funktion av frekvensen.

Fig 3. 0,1 Hz till 10 Hz RTI spänningsbrus.

Några fördelar med XR10910
* Integrerad MUX, D/A, PGA och LDO förenklar signalkonditionering av sensorsignaler.
* Tillåter större flexibilitet än mer integrerade AFE lösningar
* Lägre effektförbrukning än i mer integrerade lösningar och samma eller lägre effektförbrukning än diskreta lösningar
* Ett lättanvänt I²C-gränssnitt
* 6 × 6 mm QFN-kapsel
* Ett stort antal kanaler förenklar kretskortslayout och sparar kortyta

16 bryggkopplade sensorer
Många trådtöjningsgivare, som mäter kraft och tryck, utnyttjar ett motståndselement i en Wheatstone-brygga. Bryggans resistiva element ändrar motstånd som svar på mekaniska töjningar. Trådtöjningsgivare används ofta för både kraft och tryckmätning. XR10910 är ett lättanvänt gränssnitt  mellan flera sensorbryggor och en A/D-omvandlare, MCU eller FPGA, som visas i fig 4.

Fig 4. Här används XR10910 som gränssnitt mot 16 bryggor.

Bryggkopplade sensorer har en differentiell utsignal (V_O+ och V_O-). I idealfallet kommer den obelastade bryggans utgång att vara noll (V_O+ och V_O- är identiska). Emellertid kommer inexakta resistansvärden att  resultera i en skillnad mellan V_O+ och V_O-. Bryggans offsetspänning kan vara betydande och varierar mellan sensorer vilket leder till minskad systemnoggrannhet. XR10910 ger möjlighet till att kalibrera bryggans offset på var och en av de 16 sensorbryggor som utnyttjar den inbyggda D/A-omvandlaren.
XR10910 erbjuder en lättanvänd lösning för ett gränssnitt mot upp till 16 sensorbryggor. Matningsströmmen är bara 457 μA matningsström och kretsen tar bara upp 36 mm² av kretskortsytan. XR10910 är branschens minsta gränssnitt med lägsta effektförbrukning för 16 sensorbryggor.

Först i ny familj
XR10910 är den första i en växande familj kretsar av lättanvända sensorgränssnitt från Exar. Dess funktioner är unik på marknaden och den fyller gapet mellan mindre funktionsrika, diskreta lösningar och enkretslösningar av analoga sensorgränssnitt som inkluderar processorkraft. XR10910 har fler kanaler, drar lägre effekt och har ett mindre fotavtryck än båda.
Sensorer och sensorteknologi kommer även fortsättningsvis att integreras i mer och mer av elektroniska produkter vi använder varje dag. Signalkonditioneringskretsar för sensorer, som XR10910, kommer fortsättningsvis att spela en nyckelroll i hur dessa sensorer gränsar mot vår ständigt växande digitala och trådlösa värld

Deb Brandenburg, Exar corporation

Filed under: Analogteknik