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傳感器讀數不準確的各種根源

電子說 2019-08-27 21:04:45

[導讀] 當單個接口 IC 支持多個傳感器時,數據完整性的潛在問題會變得更加嚴重,因為單個 IC 的問題可能會損壞一組讀數。這可能會進而導致對感測情況評估不正確,造成不合適甚至危險的系統操作。

傳感器物聯網 (IoT) 技術正迅速擴展到工業、商業,甚至是消費領域中。隨著這種技術擴展,越來越需要確保來自相關傳感器及其前端接口電路的數據保持完整性。

 

當單個接口 IC 支持多個傳感器時,數據完整性的潛在問題會變得更加嚴重,因為單個 IC 的問題可能會損壞一組讀數。這可能會進而導致對感測情況評估不正確,造成不合適甚至危險的系統操作。


本文將介紹傳感器到處理器的信號鏈中,軟硬(瞬態)故障以及傳感器讀數不準確的各種根源。

 

傳感器到處理器的信號路徑


最終影響任何傳感器讀數完整性的因素都始于圖 1 中所示信號鏈的三個主要功能塊。這些功能塊是:

 

傳感器及其引線


信號調節 IC 中的模擬前端,以模數轉換器 (ADC) 為中心


連接到系統處理器的數字 I/O


傳感器到處理器的基本信號路徑圖

 

圖 1:傳感器到處理器的基本信號路徑在原則上只包含一些基本功能,但實用的接口 IC 提供了許多附加功能和特性。

 

在多通道系統中,通?;旌狭烁鞣N類型的傳感器,如熱電偶、電阻溫度檢測器 (RTD) 和壓力傳感器。當然,傳感器可能會發生故障,或者其互連引線可能會形成開路,或者與相鄰的引線、電源軌或接地形成短路。

 

根據傳感器的類型,其引線的故障可能會立即表現為讀數“偏離標度”。相反,某些故障模式會導致不準確但看起來合理的信號。此外,某些傳感器(如 RTD)需要外部激勵電流,而此電流必須在設定范圍內才能提供有效讀數。鑒于這些原因,可取的做法是:測試傳感器與模擬前端之間信號路徑的連續性,并檢查信號是否保持在允許的最小和最大限值之間,但最好使用不受 ADC 潛在問題影響的模擬電路。

 

這不僅提供準確的讀數,而且還能使系統決策算法在運行時根據這些讀數,采用可信度極高的源數據。

 

但是,所有這些額外的檢查和平衡會增加額外的元器件,需要更大的占用空間和額外的設計時間。

 

自詢問式 IC 確保傳感器數據的完整性
為了滿足對高完整性數據的需求,同時對設計時間和占用空間的影響最小,Analog Devices 推出了 AD7124-8BCPZ-RL7,這是一種以傳感器為中心的 ADC 和接口,其功能遠遠超出了基本的信號調節和轉換。該產品包括多種信號和自診斷功能,以確保數據完整性。

 

Analog Devices 的 AD7124 以傳感器為中心的 ADC 和接口示意圖

 

圖 2:AD7124 是以傳感器為中心的 ADC 和接口,其功能遠超基本的信號調節和轉換,包括多種信號和自診斷功能,用于確保數據的完整性。

 

AD7124 是一款四通道、低噪聲、低功耗、24 位、三角積分 (Σ-Δ) 型器件。采樣率范圍從略高于每秒 1 個樣本(對多種傳感器及其應用來說已經足夠)到每秒 19,200 個樣本。在最低采樣率下,該器件耗電 255 微安 (μA)。由于其設計強調低噪聲(低于 25 納伏 (nV) rms),以及內部電壓基準的低漂移 (10 ppm/°C),該器件的讀數精度得到了提升。

 

AD7124 本身采用 32 引線 LFCSP 和 24 引線 TSSOP 封裝。其靈活的數字 I/O 支持 3 線和 4 線 SPI、QSPI、MICROWIRETM 和 DSP 兼容接口。

 

AD7124 采用兩種技術解決了前面提到的傳感器引線問題:信號限制警報和燒毀電流測試。信號限制警報使用過壓/欠壓警報監視器,來檢查四對模擬輸入連接中每一對的絕對電壓(圖 3)。該電壓必須在規定的范圍內,以滿足規格書中的規格。

 

傳感器基本驗證示意圖

 

圖 3:使用信號限制警報對傳感器引線進行基本驗證時,可采用基于硬件且設置了固定最小值/最大值的比較器。

 

燒毀電流測試使用一對互補的可編程電流阱和電流源。通過在傳感器引線中灌拉一對預定義的電流,AD7124 可以驗證其完整性(圖 4)。全開或全關的電流將轉換為所選的待測模擬輸入線對。

 

灌拉一對預定義電流的示意圖

 

圖 4:通過在傳感器引線中灌拉一對預定義的電流,AD7124 可以驗證其完整性。

 

滿量程讀數(或接近值)可能意味著前端傳感器處于開路狀態。如果測得的電壓為 0 伏,則可能表明傳感器已短路。錯誤寄存器中會設置相應的標志位,以指示錯誤的發生和類型。

 

最后,對于用戶提供外部基準而非使用內部基準(通常使用 RTD 或應變片完成)的應用,AD7124 會檢查所有外部轉換基準電壓是否正確無誤。

 

驗證前端和 ADC
雖然外部傳感器及其引線出現問題的可能性最大,但驗證前端/轉換 IC 本身的性能仍然至關重要??赡艹鲆幐窕蛲耆У墓δ馨ǎ?/p>

 

內部 ADC 電壓基準


可編程增益放大器 (PGA),用于放大輸入信號以匹配 ADC 量程,從而實現最高分辨率


低壓差穩壓器 (LDO),用于提供所需的傳感器激勵


IC 的內部電源軌


ADC 本身


為了測試信號鏈的模擬部分,AD7124 會調用基于硬件和固件的自檢。隨后產生 20 毫伏 (mV) 信號,而該信號可在內部傳送到四個差分輸入通道中的任一個,然后進行數字化。這樣做有多個目的:驗證輸入通道多路復用器和 ADC 的基本操作;還可以通過更改 PGA 的增益設置并檢查得到的 ADC 讀數,對 PGA 進行評估。

 

ADC 也是潛在問題的根源之一。AD7124 采用完善的 Σ-Δ 轉換器架構,內含 1 位調制器和必需的數字濾波器。ADC 性能的全面測試同時采用模擬和數字技術。

 

在 AD7124 中,如果調制器輸出包含 20 個連續的 1 或 0,則表示調制器的一個軌或另一個軌已飽和,并且會設置錯誤標志位。同樣,IC 在自啟動偏移校準之后,檢查 ADC 偏移系數是否在 0x7FFFF 和 0xF80000 之間。如果系數超出此范圍,則會設置另一個錯誤標志位。最后,在滿量程校準期間,數字濾波器的任何溢出都會設置另一個錯誤標志位。

 

內外部電源和電源軌也是潛在的問題來源。許多傳感器需要少量激勵功率,而這通常由模擬前端 IC 內的小型、低噪聲 LDO 提供。

 

AD7124 以兩種方式檢查其 LDO 輸出。首先,LDO 的輸出可以在內部路由至 ADC,并與預期值進行比較。其次,獨立于 ADC 的硬件比較器會持續監測 LDO 相對于 IC 基準值的變化。如果低于預設閾值,則會設置錯誤標志位。因此,可以在初始化期間評估 LDO,也可以持續進行評估,而不會不斷消耗處理器資源。

 

為了進一步確信,可以(在一定程度上)檢查用于監測電源的測試電路,方法是將測試電路的輸入接地(標稱 0 伏),然后檢查數字讀數。AD7124 通過檢查所需的 0.1 微法 (µF) 去耦電容器是否存在并已連接,進一步確保數據的完整性。方法是指示 AD7124 通過其內部開關物理斷開去耦電容器,然后檢查 LDO 輸出。如果 LDO 電壓下降,則去耦電容器未通電。同樣,這也會設置錯誤標志位。

 

當然,每個 IC 都具有最高溫度額定值,超出該值將超出規格,甚至會立即引發故障。因此,AD7124 內置一個傳感器,可隨時提供芯片溫度讀數,典型精度為 ±0.5°C。

 

數字錯誤怎么辦?
到目前為止,我們已經了解了如何確保模擬傳感器或轉換功能的性能和精度。但是,在部署了許多此類傳感器的惡劣電氣工業環境中,存在影響數字電子設備的噪聲、EMI/RFI 和瞬變問題。因此,必須確保內部數字電路的性能,以及系統處理器的接口連接,以確保數據以及任何讀寫操作的穩健性。

 

AD7124 從以下操作和特性開始,通過多管齊下的方式實現這一點:

 

檢查主時鐘的性能。在設置輸出數據速率、濾波器建立時間以及濾波器陷波頻率時,需要使用主時鐘。主時鐘由獨立且可隨時回讀的向上計數寄存器進行檢查。


通過特殊時鐘計數器,檢查每個 SPI 讀寫操作中使用的 SCLK 脈沖數。該數值應為 8 的倍數(所有 SPI 操作均使用 8、16、32、40 或 48 個時鐘脈沖)。


AD7124 檢查讀寫操作是否僅對有效的寄存器地址進行尋址。


這些步驟處理內部操作,但不能確保處理器接口及其數據的完整性。為了提供極高的數據可信度,用戶可以指示 AD7124 實施循環冗余校驗 (CRC) 多項式校驗和算法。校驗和確保只將有效數據寫入寄存器,并允許驗證從寄存器讀取的數據(圖 5)。請注意,校驗和是一種高可信度技術,甚至能夠檢測單比特錯誤,但無法糾正這些錯誤。

 

將基于多項式的 CRC 校驗和添加到 SPI 寫入和 SPI 讀取事務的示意圖(點擊放大)

 

圖 5:將基于多項式的 CRC 校驗和添加到 SPI 寫入(左)和 SPI 讀?。ㄓ遥┦聞?,以檢測單比特錯誤。

 

啟用后,此操作將計算數據塊的校驗和,并將其附加到每個讀寫事務的末尾。為了確保寄存器寫入成功,需要回讀寄存器,以驗證存儲的校驗和與根據數據計算得出的校驗和是否相符。

 

在惡劣的電氣環境中,即使是存儲器也可能出現比特錯誤。為了對片載寄存器中的此類錯誤進行高級校驗,AD7124 每次都會針對以下情況的一系列操作計算校驗和:

 

存在寄存器寫入周期時


存在偏移/滿量程校準時


器件執行單個轉換周期,ADC 在轉換完成后進入待機模式時


退出連續讀取模式時


為了增強穩健性,還會評估內部只讀存儲器 (ROM)。上電時,所有寄存器均初始化為存儲在 ROM 中的默認值。此時會對 ROM 內容執行 CRC 計算。如果計算出來的值與存儲的 CRC 結果不同,則表示存在至少一個單比特錯誤。

 

AD7124 還可為多種類型的傳感器提供激勵,并可通過放大器和 PGA 對傳感器輸出信號進行調節和縮放。為了提供極高的穩健性,AD7124 包含許多內部寄存器,用于初始化、建立所需的功能模式和參數,以及標記各種錯誤和故障。

 

使用 AD7124 評估板快速啟動 AD7124 設計
AD7124 是一個復雜的系統,具有許多設計可能性和性能。它并非簡單的“即插即用型”傳感器接口 IC。為了便于學習,并使設計人員能夠快速熟悉各種潛在功能,Analog Devices 還提供了 eva l-CN0376-SDPZ 評估板(圖 6)。

 

Analog Devices 的 eva l-CN0376-SDPZ 評估板圖片

 

圖 6:eva l-CN0376-SDPZ 評估板可加快設計導入的速度,并允許全面運用 AD7124 的眾多功能和特性。

 

該評估板包含所需的電源和外部元器件,以便將 AD7124 連接到各種實際使用的傳感器以及處理器。該板由基于 Windows PC 的 CN-0376 評估軟件提供支持,該軟件通過 USB 端口進行通信,以配置和捕獲評估板中的數據。

 

總結
許多關鍵決策都是由嵌入系統處理器中的高級算法做出,如今這種決策方式在很多情況下因人工智能 (AI) 而得到改善。這些算法運行、得出結論并采取行動所依據的原始數據必須具有高度的完整性,這一點比以往任何時候都更為重要。AD7124 等 IC 可顯著提高數據的可信度,確保信號鏈中的每個鏈路(從引線和傳感器接口到自身的性能和功能)都按預期運行且未受損壞。

[整理編輯:CK365測控網]
標簽:  傳感器[39]    IC[19]
 
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