Das hochintegrierte Sensorschnittstellen-Analog-Frontend XR10910 vereinfacht die Aufbereitung von Sensordaten.

Das hochintegrierte Sensorschnittstellen-Analog-Frontend XR10910 vereinfacht die Aufbereitung von Sensordaten.Exar

Sensoren kommen in einer Vielzahl von Consumer- und Industrieanwendungen zum Einsatz, von Mobiltelefonen und Tablets über die Abstandsmessung, Bildverarbeitung bis hin zur Prozessmesstechnik. Viele dieser Systeme enthalten mehrere Analogsensoren. Diese erfassen und messen Druck, Temperatur, Kraft, Position, Licht, Schall, Geschwindigkeit, Wärme und andere physikalische Größen. Die Anzahl der Sensoren, die sich in den gängigen Geräten in einem Haushalt findet, ist überraschend hoch. Waschmaschinen sind heute zum Beispiel mit Sensoren ausgestattet, die folgende Größen erfassen: Motorstrom, Trommeldrehzahl, Wasserstand/-fluss/-temperatur, Unwucht, Tür offen/geschlossen und sogar Berührungssensoren für die Programmsteuerung. Hocheffiziente Toploader-Waschmaschinen bestimmen sogar den Wasserstand für jede Ladung – abhängig vom Gewicht der Wäsche.

Analog-Waschprogramm

Analogsensoren erzeugen ein elektrisches Signal, das in der Regel sehr klein und störbehaftet ist. Sensoren sind nie gleich: jeder Sensor weist sein eigenes Rauschverhalten auf und fügt seinen eigenen Offset in den Signalpfad mit ein. Die Systemkalibrierung, die Unterscheidung zwischen Signal und Rauschen und die Verstärkung sind daher entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Endsystems. Zwischen dem Analogsensor und der digitalen Signalverarbeitung (DSP) befindet sich eine wichtige Schnittstelle, die das elektrische Signal aufbereitet und sicherstellt, dass es im Verarbeitungsbereich des nachfolgenden A/D-Wandlers (ADC) liegt.

Eckdaten

  • Integrierter MUX, DAC, PGA und LDO vereinfachen die Aufbereitung von Sensordaten mit dem XR10910
  • Mehr Flexibilität als höher integrierte AFEs
  • Geringere Stromaufnahme als höher integrierte oder diskrete Lösungen
  • Einfach nutzbare I2C-Schnittstelle
  • 6 × 6 mm2 großes QFN-Gehäuse
  • Hohe Kanalzahl vereinfacht das Board-Layout und spart Platz

In Industrieanlagen kommen heute zahlreiche Sensoren und Sensorarten zum Einsatz, die noch größere Anforderungen an die Aufbereitung von Sensordaten stellen. Systeme mit mehreren Sensoren erfordern verschiedene Kalibrierungen und Verstärkungen, um die Sensorsignale entsprechend zu verarbeiten und sie an den ADC weiterzuleiten. Der zunehmende Einsatz von Sensoren in Elektronikeinrichtungen erhöht auch die Nachfrage nach vielseitigeren, kostengünstigeren Sensorschnittstellen.

Diskret oder integriert

Zum Aufbereiten von Sensordaten sind diskrete Lösungen möglich, die mehrere Bausteine verwenden. In vielen Fällen bieten diese diskreten Sensorschnittstellen aber weder eine variable Verstärkung noch einen einstellbaren Offset für jeden Sensoreingang. Zudem verbrauchen sie viel Strom, benötigen mehr Platz und eine längere Entwicklungsdauer als eine integrierte Lösung.

Integrierte Sensorschnittstellen-Analog-Frontends (AFEs) stehen von zahlreichen Anbietern zur Verfügung. Die meisten Lösungen enthalten einen Prozessor, der umfangreiche Algorithmen berechnen und Speicherschutz enthalten kann, was in den meisten Anwendungen aber gar nicht erforderlich ist und die Kosten erhöht. Das Sensorschnittstellen-AFE XR10910 von Exar bietet hingegen eine kostengünstige integrierte Lösung mit hoher Kanalzahl und Funktionalität auf kleinstem Raum, die sehr wenig Strom verbraucht. Die Funktionsvielfalt des XR10910 erhöht im Vergleich zu anderen diskreten AFE-Lösungen die Designflexibilität.

Bild 1: Blockdiagramm des Sensorschnittstellen-Analog-Frontends XR10910.

Bild 1: Blockdiagramm des Sensorschnittstellen-Analog-Frontends XR10910.Exar

16:1-Sensorschnittstellen-AFE

Die Sensorschnittstelle XR10910 enthält einen differenziellen 16:1-Multiplexer, einen programmierbaren Instrumentenverstärker, einen 10-Bit-Offset-Korrektur-DAC (D/A-Wandler) und einen LDO (Low-Dropout-Regler). Die Funktionen des XR10910 werden über eine I2C-Schnittstelle gesteuert. Damit steht die Leistungsfähigkeit und Funktionalität zur Verfügung, um heutige Mikrocontroller oder FPGAs mit Embedded-ADCs zu unterstützen. Bild 1 zeigt das Blockdiagramm des XR10910.

Dank des Multiplexers unterstützt der XR10910 16 differenzielle Ausgangssensoren. Jeder Sensor, der an den Baustein angeschlossen ist, weist seinen eigenen Offset auf, der bei fehlender Kalibrierung die Empfindlichkeit und Gesamtleistungsfähigkeit des Sensorsystems verringern kann. Der integrierte DAC führt einen Offset in den Instrumentenverstärker ein, um die von den Sensoren erzeugte Offset-Spannung zu kalibrieren. Für jeden der 16 Kanäle lässt sich ein unabhängiger Offset einstellen.

Bild 2: Das Diagramm des Eingangsspannungsrauschen über der Frequenz (G = 760) zeigt, dass der Wert etwa bei 35 nV/√Hz liegt.

Bild 2: Das Diagramm des Eingangsspannungsrauschen über der Frequenz (G = 760) zeigt, dass der Wert etwa bei 35 nV/√Hz liegt.Exar

Der programmierbare Instrumentenverstärker bietet acht wählbare Verstärkungen von 2 V/V bis 760 V/V, um das Signal derart zu verstärken, dass es in den Eingangsbereich des nachfolgenden ADC fällt. Der XR10910 enthält auch einen LDO, der eine geregelte Spannung zur Versorgung der Sensoren bereitstellt. Der Baustein arbeitet zwischen 2,7 und 5 V und bietet einen breite Digitalversorgung von 1,8 bis 5 V. Er verbraucht 457 µA Strom und bietet einen Sleep-Modus, der die Stromaufnahme auf 45 µA verringert.

Geringes Grundrauschen

Bild 3: Spannungsrauschen bezogen auf das Eingangssignal von 0,1 bis 10 Hz (RTI: Referenced to the Input).

Bild 3: Spannungsrauschen bezogen auf das Eingangssignal von 0,1 bis 10 Hz (RTI: Referenced to the Input).Exar

Exars AFE bietet 14-Bit-Signalpfad-Linearität und ein geringes Spitze-Spitze-Rauschen (2 µVPP bei G = 760) sowie ein geringes Eingangsspannungsrauschen (35 nV/√Hz bei G = 760, siehe Bilder 2 und 3). Das niedrige Rauschen des XR10910 ermöglicht zusammen mit dem geringen Bias-Strom (100 pA maximal) den Anschluss verschiedener Sensoren und passt daher zu 3- bis 5-V-/16-Bit-ADCs.

Viele Kraft- und Drucksensoren nutzen ein Widerstandselement, das als Wheatstone-Brücke aufgebaut ist und als Dehnungsmessstreifen (DMS) dient. Die Widerstandselemente in der Brücke ändern ihren Widerstand entsprechend der mechanischen Belastung. DMS kommen bei der Kraft- und Druckmessung zum Einsatz. Der XR10910 ist eine einfach einsetzbare Sensorschnittstelle zwischen mehreren Brückensensoren und einem ADC/MCU oder FPGA (Bild 4).

Bild 4: Mit dem XR10910 lässt sich eine 16:1-Brückensensor-Schnittstelle realisieren.

Bild 4: Mit dem XR10910 lässt sich eine 16:1-Brückensensor-Schnittstelle realisieren.Exar

Brückensensoren verwenden

Brückensensoren erzeugen ein differenzielles Ausgangssignal (VO+ und VO-). Der Ausgang der unbelasteten Brücke ist idealerweise Null (VO+ und VO- sind identisch). Jedoch führen ungenaue Widerstandswerte zu einer Differenz zwischen VO+ und VO-. Diese Brückenoffsetspannung kann sehr groß sein und zwischen den Sensoren variieren, was die Systemgenauigkeit verringert. Der XR10910 kalibriert den Brückenoffset bei jedem der 16 Brückensensoren, die den integrierten DAC nutzen.

Der XR10910 ist demnach eine einfache Lösung zur Anbindung von bis zu 16 Brückensensoren. Mit nur 457 µA Stromaufnahme und nur 36 mm2 Platzbedarf ist er laut Hersteller die branchenweit kleinste und stromsparendste Schnittstelle für 16 Brückensensoren.

Der erste seiner Art

Der XR10910 ist der erste Baustein einer neuen Serie einfach einsetzbarer Sensorschnittstellen-ICs von Exar. Er füllt die Lücke zwischen weniger funktionsreichen diskreten Lösungen und Einchip-Sensorschnittstellen-AFEs, die Prozessoren oder DSP-Kerne enthalten. Der XR10910 bietet mehr Kanäle, eine geringere Stromaufnahme und benötigt weniger Platz als die anderen beiden Varianten.

Sensoren und Sensortechnik werden immer mehr in heutige Elektronikprodukte integriert. Bausteine zur Aufbereitung von Sensordaten, wie der XR10910, werden daher eine wichtige Rolle bei der Anbindung dieser Sensoren in unserer zunehmend digitalen und funkbasierten Welt spielen.