类比半导体推出生物电势测量模拟前端AFE96x，助力高端脑电芯片国产替代

发布时间：2023-05-04 14:19
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：1913

　　致力于提供高品质芯片的国内优秀模拟及数模混合芯片设计商上海类比半导体技术有限公司（下称“类比半导体”或“类比”）宣布推出低噪声、多通道EEG生物电势信号测量模拟前端AFE96x。AFE964、AFE966 和 AFE968 器件是一系列四通道、六通道和八通道低噪声、24 位同步采样 Δ-Σ 模数转换器(ADC)系列产品。该系列产品内置可编程增益放大器 (PGA)、三种可配置内部基准以及板载振荡器，在共模抑制比(CMRR)和串扰(Crosstalk)等性能上均有大幅提升。AFE96x提供三种工作模式，满足具备颅外脑电图 (EEG) 和心电图 (ECG) 应用所需的全部常用功能和功耗模式需求。

　　AFE96x系列模拟前端在每条通道中都配有一个灵活的输入多路复用器，该复用器可与内部生成的信号独立相连，完成测试、温度和导联断开检测；此外，可选择输入通道的任一配置生成患者偏置输出信号，提供可选正负极SRB引脚, 旨在将公共信号路由至参考蒙太奇配置的多路输入。AFE96x支持以 125SPS至32kSPS的数据传输速率运行, 并增加了AC激励源和VDAC激励源。凭借高集成度和出色性能, AFE96x 能够以大幅缩小的尺寸、显著降低的功耗和成本来构建可扩展的医疗仪器系统。得益于支持高速SPI串行接口和菊花链，AFE96x可在多通道系统中采用菊花链配置串联多个AFE96x器件。另外，AFE96x与类比现有产品AFE94x管脚兼容。

　　产品特性

1、多达八个低噪声可编程增益放大器(PGA)和八个高分辨率同步采样模数转换器(ADC)

2、输入参考噪声：1.6 µVPP

3、输入偏置电流：300pA

4、数据速率：125SPS 至 32KSPS

5、工作模式：–高速模式–低速模式–超低功耗模式（8mW）

6、共模抑制比：−130dB

7、可编程增益：1、2、4、6、8、12、24或48

8、单极或双极电源：–模拟：2.7V至5.5V–数字：1.8V至3.6V

9、内置偏置驱动放大器、AC/DC导联脱落检测、测试信号

10、内置振荡器

11、三种可配置内部或外部参考

12、VDAC激励源

13、灵活的掉电、待机低功耗模式

14、SPI兼容串行接口，菊花链

15、工作温度范围：−40°C至+85°C

16、封装形式：QFP64，BGA64

17、脑电图(EEG)及脑机接口(BCI)研究

18、胎儿心电图(ECG)检测

19、睡眠研究监视器

20、双谱指数(BIS)

21、诱发音频电位(EAP)

类比半导体推出生物电势测量模拟前端AFE96x，助力高端脑电芯片国产替代

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　　2024年10月24日，由盖世汽车主办的第六届“金辑奖”颁奖典礼圆满落幕，类比半导体凭借卓越的产品与创新的技术，荣获盖世汽车2024第六届金辑奖·中国汽车新供应链百强评选“最佳技术实践应用奖”。这一荣誉不仅是对类比半导体在汽车行业中所作贡献的认可，也彰显了公司在中国市场的领先地位和持续创新能力。　　“金辑奖”由盖世汽车发起，旨在“发现好公司，推广好技术，成就汽车人”， 围绕“中国汽车新供应链百强”主题，重点聚焦动力总成及充换电、智能驾驶、智能座舱等细分板块，向行业内外展示各细分领域优秀的企业和行业领军人物，共同推动行业的发展和进步。　　类比半导体作为国内领先的模拟及数模混合芯片设计商，推出了DR7808Q驱动芯片，在技术层面实现了重大突破，更在实际应用中展现出卓越的性能和可靠性。该产品是汽车走向线控化，智能化的一个重要里程碑。　　DR7808Q　　DR7808Q 是一款多通道栅极驱动器，集成的8个半桥可驱动多达16个外部N沟道MOSFET，可配置为多个H桥驱动同时驱动汽车上多个直流电有刷电机，也可以配置为多个高边开关用于驱动不同属性的负载，非常适用于多电机或多负载场合，例如：汽车电动座椅、电动车门电动尾门和区域控制等应用。DR7808Q 支持24位串行外设接口(SPI)用于对芯片进行配置以及直接控制半桥，除SPI接口外, DR7808Q 还支持3路PWM输入控制8个半桥。同时，DR7808Q 内部集成了2个高共模、高速高精度的电流采样运放(CSA)，可以实现电机堵转保护和电机纹波采样，结合类比CSA独特的PWM Rejection技术可以应用于实现无霍尔传感的纹波防夹方案。　　DR7808Q 的8路半桥采用智能栅极驱动技术，可以根据外部NMOSFET的参数和应用需求，实现驱动能力8 档软件可配置，最大驱动能力可达96mA，其所有半桥都支持智能自适应开关速度调节。此外，DR7808Q 基于握手逻辑对上下管开关进行保护，可有效防止上下管穿通。DR7808Q 还提供广泛的保护和诊断功能，例如：电源电压监控、过流保护、电荷泵电压、温度警告、过热关断看门狗和负载开路短路诊断等。DR7808Q 的每个栅极驱动器均可独立监控其外MOSFET漏极-源极电压以发现应用故障。　　类比半导体自2018年成立以来，一直专注于汽车半导体领域的研发与创新。公司陆续推出了多款通过AEC-Q100认证的车规级产品，服务于700+客户，实现了超1亿颗芯片的出货量。类比半导体正持续以其技术创新、高标准质量体系以及对汽车驱动芯片技术的贡献，赋能汽车制造商实现智能化和绿色发展。
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　　ADX12X系列ADC是类比半导体响应市场需求，推出的一系列20bit ADC芯片。该系列20bit ADC分辨率比16bit ADC高，同时相对于24bit ADC，又提供较高的性价比。该系列ADC和类比广泛应用的16bit ADC ADX11X系列ADC P2P兼容，提供完美的升级替代。　　ADX12X系列20bit ADC主要用于温度测量、热电偶测量、热敏电阻测量、便携式仪器、电池电压和电流监测、工厂自动化和过程控制等精度和分辨率要求较高的领域。　　ADX12X系列提供测量 MSOP-10 封装或超小型无引线封装。ADX12X集成了可编程增益放大器(PGA)、电压基准、振荡器和高精 度温度传感器。这些特性以及 2V 至 5.5V 的宽电源范围使 ADX12X 非常适合功率受限和空间受限的传感器测量 应用。ADX12X输入多路复用器 (MUX)允许测量两个差分或四个单端输入。高精度温度 传感器可用于系统级温度监测或热电偶冷端补偿。ADX12X可以在连续转换模式下工作，也可以在转换后 自动关断的单次模式下工作。单次模式显著降低了空闲 期间的电流消耗。　　ADX12X包括一系列产品　　主要料号如下：　　内部框图如下：　　内部框图的工作原理：输入信号通过多路复用开关选择差分或者单端模式，进入PGA可编程放大器，然后经过PGA后进入20bits的△Σ转换模组，芯片自带基准源、振荡器及50/60Hz数字滤波器以抑制 50Hz和60Hz工频频率，数据转换完成后放入0x00 RESULT和0x01 RESULT EXTRA寄存器，通过SPI总线即可获取20位数据。　　主要优势：　　1.高精度　　内部基准的初始精度和温度漂移，包含在gain误差和gain漂移中:　　a) offset：差分+/-8LSB_MAX，单端+/-12LSB_TYP，温漂0.005LSB/℃，对于offset要求较高的产品，推荐使用差分配置，这样能最大程度上提高ADC的offset精度，降低offset的影响　　b) 电源电压变化抑制4LSB/V　　c) gain：误差0.07%_MAX，Gain温漂14ppm/ ℃　　2.低噪声　　μVRMS and μVPP at VDD = 3.3V　　以常用的采样率581sps为例，在FSR为0.256V的时候，噪声37.4uVpp，FSR不变，采样率为10sps的时候，噪声为11.7uVpp，可见采样率越低，噪声越小。　　3.内部集成温度sensor　　ADX125/126集成的精密温度传感器，温度数据表示为在20位转换结果中左对齐的14位结果。数据从最高有效字节(MSB)开始输出。读取这两个数据字节时，前14位用于表示温度测量结果。一个14位LSB等于0.03125°C。负数以二进制补码格式表示。　　要将数字代码转换为温度，首先检查 MSB 是 0 还是 1。如果 MSB 是 0，只需将十进制代码乘以 0.03125°C 即可获得结果。如果 MSB = 1，则从结果中减去1并对所有位取反。然后将结果乘以–0.03125°C　　例如：器件回读 0960h：0960h 的 MSB = 0，0960h × 0.03125°C = 2400 × 0.03125°C = 75°C;器件回读 3CE0h：3CE0h 的 MSB = 1，减 1 补码结果：3CE0h 至 0320h，0320h × (–0.03125°C) = 800 × (–0.03125°C) = –25°C。　　4.超低功耗　　对于电池供电的便携式应用，超低功耗是其必须的需求。另外，为了降低功耗，还可以采用one-shot模式，采样完成后，芯片自动进入低功耗模式，等待主机启动下次采样。　　5.小面积　　采用小封装MSOP-10封装3mm*5mm，QFN-10封装1.5mm*2mm，对于面积有较高要求的场合，QFN封装非常适合。另外，ADX12X系列ADC内置MUX，方便于对外部多通道信号进行采样，而无须在外部增加新的MUX开关。　　数据采集配置　　转换器核心由一个差分开关电容 ΔΣ 调制器和一个数字滤波器组成　　两种转换模式：单次模式和连续转换模式　　单次模式和关断：MODE 位设置为 1 ，ADX122(Q)进入关断状态，并在单次模式下工作。保持此关断状态，直到将 1 写入 CONFIG REGISTER 中的单次(SS)位。当 SS 位有效时，ADC 启动，将 SS 位重置为 0，并开始单次转换。单次转换适用于采样率由上位机设定的场合，在这种情况下，采样率由单片机的定时器设定，比较灵活。　　连续转换模式：MODE 位设置为 0，转换完成后,结果放入 CONVERSION REGISTER 并立即开始另一次转换。在连续转换模式下，即使/CS拉高，设备也会不断地开始新的转换。连续转换模式只能使用器件固有采样率，控制比较简单，不需要MCU参与控制，就可以完成转换。　　输入转换范围　　码值和电压的对应计算公式　　二进制补码格式的 20 位数据，正满量程输入产生 7FFFFh 的输出代码，负满量程输入产生 80000h，同一数据传输周期内直接回读配置寄存器设置。　　一个完整的数据传输周期由 80 位(使用配置寄存器数据回读时)或 20 位(仅当CS线可控且未永久保持低电平时使用)组成。　　获取码值后，可以采取计算公式来获取电压值V=码值/满量程码值*满量程电压值。比如获取码值=0x3FFF，满量程电压选择1.024V，则计算得到被测电压值V=0.512V。　　模拟采样通道配置　　AIN3 通过调整多路复用器配置作为测量的公共点。AIN0、AIN1 和 AIN2 都可以相对于 AIN3 进行测量。相比单端AINx-GND，好处是支持双向差分，但不提供共模噪声衰减。　　CONFIG_EXTRA 寄存器中的 IN_SHORT 位配置内部短路来校准offset及温漂。　　噪声测试，也可使用内部短路方式。　　提供可编程输出数据速率，DR[2:0]位选择 10SPS、20SPS、40SPS、158SPS、316SPS、581SPS、1761SPS 或 3571SPS 的输出数据速率。　　数字滤波器抑制 50Hz 频率和 60Hz 频率，如果启用频率抑制滤波器，则输出数据速率应设置为 20SPS，任何其他输出数据速率均无效。　　转换在单个周期内稳定，转换时间等于 1 / DR　　ADX122(Q)启动时默认关断状态。设备接口和数字块处于工作状态，但不执行任何数据转换。从上电到准备就绪需要 500µs。　　SPI通信协议　　片选/CS：多SPI设备时，定期拉低/CS，DOUT/DRDY引脚要么立即变高表示没有新数据可用，要么立即变低，表示新数据存在于 CONVERSION REGISTER 中并可用于传输。当CS为高电平时，DOUT/DRDY默认配置弱内部上拉电阻，要禁用此上拉电阻并将设备置于高阻抗状态，将 CONFIG REGISTER 中的 PULL_UP_EN 位设置为 0。　　SCLK保持低电平 28ms，串行接口复位，下一个SCLK 脉冲开始一个新的通信周期。接口空闲时，保持 SCLK为低电平。SCLK 下降沿锁存 DIN 上的数据。　　DOUT/DRDY上的数据在 SCLK 上升沿移出，MSB在前，当新数据准备好检索时，此引脚变为低电平。如果没有检索到数据，DOUT/DRDY在下一个数据就绪信号前8μs 再次变为高电平。　　80 位数据由四个字节组成：两个字节转换结果，两个字节 CONFIG REGISTER回读，在 80 位传输周期的前两个字节中写入的配置寄存器设置在同一周期的最后两个字节中被读回。对于单片机而言，80bit 模式是操作比较方便的，通过发送10个字节，即可以完成数据的读取。　　20位数据传输，如果不需要回读配置 CONFIG REGISTER，转换数据可以在20 位数据传输周期内同步输出。传输完成20bits数据后需要将/CS拉高。　　前端传感器开路/短路检测功能　　两个恒流发生器，可编程为 0.5μA、2μA 或 10μA。一个发生器从 AVDD 向 AINP 提供电流，一个从 AINN向 AVSS 吸收电流。　　寄存器中的 SDCS[1:0]位启用/禁用断线检测电流以及电流大小。对通道进行测量之前，使用这些电流来验证外部传感器开路/短路，如果测得的结果电压接近满量程可能前端传感器开路。如果测得的电压为 0V，则可能是前端传感器短路。　　典型应用图　　差分输入支持SPI配置端口：AIN0-AIN1，AIN0-AIN3，AIN1-AIN3，AIN2-AIN3;　　VDD极限范围-0.3~5.5V，推荐2-5V;关机电流3.5uA_MAX，工作电流250uA_MAX　　模拟输入滤波:　　设计抗混叠低通滤波的截止频率= 0.5*fMOD ，以保证滤波器能够滤除> 0.5*fMOD的噪声，ADX122Q的fMOD =250KHz，输入抗混叠滤波器截至频率=0.5*250KHz=125KHz　　设计注意事项以及调试　　输入通道的选择要注意差分通道只能选择AIN0-AIN1, AIN0-AIN3, AIN1-AIN3，AIN2-AIN3, 单端通道没有限制;　　输入差分采用差分走线，靠近芯片采样输入脚预留RC差模和共模滤波;　　DOUT/DRDY复用，可以分别连接到MCU的中断引脚和数字输入脚。　　总结　　本文详细介绍了基于类比半导体高性能20位模数转换器ADX12x系列，ADX12x的卓越噪声性能、宽输入范围、高精度温度传感器以及低功耗特性，使其成为温度测量、电池电压和电流等监测的理想选择。ADX12x的推出丰富了类比半导体在模拟和数模混合芯片领域的产品线。ADX12X系列ADC凭借其高性能、灵活性和成本效益，将助力客户实现更高效、更智能采样系统成为可能。
2024-09-19 10:37 阅读量：1136
类比半导体荣获2024 OFweek汽车行业新锐企业奖
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类比半导体荣获2024 OFweek汽车行业新锐企业奖

　　在今日举行的维科杯·OFweek 2024汽车行业年度评选颁奖典礼上，上海类比半导体技术有限公司荣获“汽车行业新锐企业奖”。这一荣誉是对类比半导体在汽车半导体领域创新成就的高度认可，也是对其在智能汽车技术发展中所做贡献的肯定。　　类比半导体自2018年成立以来，一直专注于汽车半导体领域的研发与创新。公司陆续推出了多款通过AEC-Q100认证的车规级产品，服务于700+客户，实现了超1亿颗芯片的出货量。类比半导体正持续以其技术创新、高标准质量体系以及对汽车驱动芯片技术的贡献，赋能汽车制造商实现智能化和绿色发展。　　维科杯·OFweek 2024汽车行业年度评选由高科技行业门户OFweek维科网主办，以其公正、客观的评选流程受到业界的广泛关注。评选活动聚焦汽车电子行业上中下游产业链，旨在表彰具有突出贡献的优秀产品、技术、应用案例及企业。　　本次获奖，不仅是对类比半导体过去成就的认可，更是对其未来发展潜力的肯定。类比半导体将继续携手业界同仁，共同推动汽车行业的智能化和可持续发展。
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类比半导体：基于类比高性能16bit ADC ADX112的热电偶检测方案
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类比半导体：基于类比高性能16bit ADC ADX112的热电偶检测方案

　　热电偶(thermocouple)作为工业接触式温度测量的核心元件，以其直接的温度测量能力及将温度信号转换为热电动势信号的特性，广泛应用于各种工业测温场合。这种转换过程通过电气仪表(二次仪表)实现，将热电势信号准确转换为被测介质的温度值。热电偶以其结构的简洁性、制造的便捷性、宽广的测量范围、高精度、小惯性，以及便于远程传输的输出信号等优势，确立了其在工业测量中的重要地位。　　尽管热电偶具备上述优点，但其输出的热电势信号相对较弱，通常最大不超过50mV，这为信号采集环节带来了一定的挑战。此外，为了确保测量的准确性，冷端补偿是不可或缺的环节。针对这些挑战，上海类比半导体技术有限公司(以下简称“类比半导体”或“类比”)推出的ADX112提供了一个高效且成本效益高的解决方案。ADX112具备卓越的噪声性能，在数据率低于32sps时，能够实现16位的NNOB，确保了测量结果的精确度。其内置的高性能PGA和电压基准，为系统提供了高度的稳定性，PGA和内置电压基准的温漂仅为8ppm/°C。ADX112还集成了一个高精度的温度传感器，其在0°C至70°C的工作温度范围内，误差控制在最大0.5°C以内，这一特性使得该传感器非常适合用于热电偶的冷端补偿。　　关键词：　　热电偶 | ADC | ADX112 | 冷端补偿 | 工业测量 | 工业自动化　　1、热电偶检测原理　　1.1、热电效应的科学基础　　热电偶是一种精密的传感器，它通过连接两种不同金属材料的一端来利用热电效应测量温度。热电效应，主要包括塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应等，是由温差引起的电效应或由电流引起的可逆热效应，也称为温差电效应。　　从电子论角度分析，金属和半导体中的电流和热流均与电子紧密相关。温度差异引起的电子能级跃迁和热量转移构成了热电效应的基础。塞贝克效应，作为与热电偶相关的效应，由德国科学家赛贝克在1821年发现：当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温度，会在导体中产生一个与温差成正比的电动势，公式表示为：　　V=a△T　　其中，V为温差电动势，a为温差电动势率，△T 为两接触点间的温差。　　例如，铁与铜的冷接头为1℃，热接头处为100℃，则有5.2毫伏的温差电动势产生。　　塞贝克效应的发现为温差电偶的制造提供了理论依据，使得利用适当的金属组合，可以测量从-180℃到+2000℃，甚至更高温度范围的温度。　　在提供的示意图中，A和B代表两种不同的导体或半导体，定义为热电极。接点1作为工作端或热端，其温度标记为t;接点2作为自由端或冷端，其温度标记为t0。这两点的温差驱动了热电偶产生的热电势。　　热电偶产生的热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势两部分组成：　　接触电势：不同材料的导体在接触点因电子密度差异产生电子扩散，形成电位差。这个电位差与接触点的材料属性和温度直接相关。　　温差电势：同一导体两端因温度差异产生电动势，这一现象与导体的物理性质和两端的温度有关，而与导体的尺寸、截面积或温度分布无关。　　热电偶回路电动势的计算公式为：　　当热电偶的电极材料确定后，热电动势成为热端和冷端温度差的函数。工程技术中通常假定热电势主要由接触电势决定，并借助热电偶分度表来确定被测介质的温度。这种应用方法简化了温度测量过程，提高了测量的准确性和可靠性。　　1.2、热电偶基本定律的精准阐释　　1.2.1、均质导体定律　　均质导体定律指出：当由相同均质材料构成的两端焊接形成闭合回路时，不论导体的截面如何变化或温度如何分布，接触电势均不会生成，温差电势相互抵消，使得回路中的总电势恒为零。这一定律明确了热电偶必须由两种不同均质导体或半导体构成，确保了热电偶的准确性。若材料不均匀，温度梯度将导致额外的热电势产生。　　证明过程：热电偶的总电势由接触电势和温差电势共同决定。在材料相同的情况下，接触电势为零;温差电势由于大小相等、方向相反，相互抵消。　　实际应用：利用均质导体定律，我们可以验证热电极材料的一致性，即通过同名极检验法，同时检查材料的均匀性，确保热电偶的性能。　　1.2.2、中间导体定律　　中间导体定律阐明：在热电偶回路中加入第三种导体，只要该导体的接触点温度一致，总热电动势将保持不变。　　证明过程：　　EABC(t,t0) = eAB(t) + eBC(t0) + eCA(t0)　　在t=t0的条件下，中间导体定律保证了eAB(t0) + eBC(t0) + eCA(t0) = 0，从而简化为：　　EABC(t,t0) = eAB (t) - eAB (t0) = EAB (t,t0)　　实际应用：在热电偶的实际应用中，通常采用热端焊接、冷端开路的方式，并通过连接导线与显示仪表构成测温系统。例如，使用铜导线连接热电偶冷端至仪表，即使在连接处产生接触电势，也不会对测量结果造成附加误差。　　1.2.3、中间温度定律　　热电偶回路两接点(温度为t，t0)间的热电势，等于热电偶在温度为t、tn时的热电势与在温度为tn、t0时的热电势的代数和。tn即中间温度。　　证明过程：　　EAB(t,tn) + EAB(tn, t0)　　= eAB (t) - eAB (tn) + eAB (tn) - eBC (t0) = eAB (t) - eAB (t0) = EAB (t,t0)　　即，EAB (t, t0) = EAB (t, tn) + EAB (tn, t0)　　实际应用：鉴于热电偶的E-T关系通常呈现非线性，当中性温度不为0℃时，不能直接利用实际热电势查表求取热端温度。中间温度定律为在非标准条件下修正温度测量提供了理论支持，并为补偿导线的使用奠定了基础。　　1.2.4、标准电极定律(参考电极定律)　　标准电极定律提供了一个简化热电偶热电动势测定的实用方法：已知两种导体与第三种导体组成的热电偶热电动势后，这两种导体间组成的热电偶的热电动势也得以确定。　　实际应用：标准电极定律是一个极为实用的定律。面对众多的纯金属和合金类型，直接测量每种组合的热电动势是一项庞大的工作。铂因其物理化学性质稳定、高熔点、易提纯等特性，常被选作标准电极。通过测定各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，可以间接获得其他金属组合的热电动势值，极大简化了热电偶的标定过程。　　2、基于ADX112的热电偶检测方案　　2.1、ADX112Q简介　　类比半导体推出的ADX112Q是一款精密、低功耗、16 位模数转换器 (ADC)，提供MSOP-10封装和QFN-10封装。ADX112Q集成了可编程增益放大器(PGA)、电压基准、 振荡器和高精度温度传感器。这些特性以及2V至5.5V 的宽电源范围使 ADX112Q非常适合功率受限和空间受限的传感器测量应用。ADX112Q能以高达每秒860个样本(SPS)的数据速率执行转换。PGA提供从±256mV到±6.144V的输入范围，允许以高分辨率测量大信号和小信号。输入多路复用器(MUX)允许测量两个差分或四个单端输入。高精度温度传感器可用于系统级温度监测或热电偶冷端补偿。ADX112Q可以在连续转换模式下工作，也可以在转换后自动关断的单次模式下工作。单次模式能显著降低空闲期间的电流消耗。数据通过串行外设接口(SPI™)传输。ADX112Q的额定温度范围为–40°C 至 125°C。　　特性　　• AEC-Q100 (仅限 ADX112Q)　　• 超小型 QFN 封装：2mm × 1.5mm × 0.4mm　　• 小型 3mm × 3mm MSOP 封装　　• 宽电源范围：2V 至 5.5V　　• 低电流消耗：连续模式：仅 145µA 单次模式：自动关机　　• 可编程数据速率：8SPS 至 860SPS　　• 单周期稳定　　• 内部低漂移参考电压　　• 内部振荡器　　• SPI 兼容接口　　• 内部 PGA　　• 四个单端或两个差分输入　　• 工作温度范围：–40°C 至 125°C　　2.2、电路设计　　下图是基于ADX112Q的双通道K型热电偶检测电路，该方案用内部高精度温度传感器进行冷端补偿。　　与热电偶检测相关的外电路非常简洁，只需要偏置电阻和抗混叠滤波电路。　　偏置电阻(RPU和RPD)有两个用途:　　将输入信号的直流偏置设置在VDD/2左右，提供稳定的共模输入　　检测热电偶导线是否开路　　该电路中，热电偶的两端分别通过RPU和RPD连接至VDD和GND。偏置电阻取值范围通常为500kΩ 至 10MΩ，取较大的阻值旨在减少流经热电偶的偏置电流，避免因自加热效应产生额外的电压降，从而引入测量误差。同时，电阻值也不宜过大，确保提供充足的偏置电流。本设计中，偏置电阻选用1MΩ，产生1.65uA的偏置电流。在正常运行时，这两个电阻将热电偶的直流偏置点设置为VDD/2左右，而热电偶电压的范围为 -6.5mV至55mV;一旦热电偶断开，1MΩ的RPU和RPD和ADC输入内阻形成分压(FSR = ±0.256V时，ADX112的差分输入阻抗为0.9MΩ)，ADC的差分输入信号将达到约1.024V，远超正常电压范围，导致ADC的读数达到7FFFh，从而轻易识别出开路故障状态。　　差模电容Cdiff需要至少为共模电容Ccm的10倍，这样的设计使得共模滤波器的截止频率大约是差分滤波器截止频率的20倍。这一设计的原因在于，共模电容的不匹配(即容值有差异)可能导致2个通道的共模滤波截止频率出现差异，从而使共模噪声转变为差模噪声进入信号输入端;上文提到，共模滤波器的截止频率比差模滤波器的高20倍左右，那么因为共模电容不配置引起差模干扰的频率也会远高于差模滤波器截止频率，可以有效滤除因共模电容不匹配引入的高频差模干扰。　　RC滤波器中的电阻选用了500欧姆，这一取值避免了与ADX112的输入阻抗形成不利的分压效应，防止对增益误差造成过大影响。若系统设计中已考虑对增益误差进行校准，则电阻的取值可以适当放宽。　　在电路布局时，应将ADX112与热电偶的接线端子尽可能靠近，以减少ADX112内部温度与热电偶实际参考端(冷端)之间的温差，从而降低对最终温度测量误差的影响。　　SPI接口的设计同样经过周密考虑，以确保良好的抗扰性。在MCU与SPI口的各引脚之间串接了一个小电阻(约50Ω)，并预留了上拉电阻，以便在EMC测试中遇到问题时进行必要的调整。这种设计不仅增强了系统的稳定性，也为应对电磁兼容性测试提供了灵活性。　　3、基于ADX112的软件设计　　3.1、精准的冷端补偿策略　　在软件设计中，将检测到的热电偶电压转换为实际温度值是一项至关重要的任务。这一过程需要依赖热电偶分度表，该表通常是在参考端(冷端)温度为0℃时记录的工作端(热端)温度数据。　　正确的冷端补偿流程如下：　　1. 参考端温度的准确获取：首先，从热电偶分度表中查询得到参考端(冷端)温度Tcj所对应的电压Vcj。对于ADX112Q，可以通过读取内部温度传感器的寄存器转换结果来获得冷端温度Tcj。　　2. 电压转换与补偿：将热电偶测量得到的电压Vtc(相当于EAB(Ttc,Tcj)与查表得到的Vcj(相当于EAB(Tcj,0)相加，得到总电压Vtct。然后在分度表中查找与Vtct(相当于EAB(Ttc,0)对应的温度Ttc。　　示例分析：　　假设ADX112测量得到的K型热电偶热电势为40mV，同时内部温度传感器测得的冷端温度为20℃，我们如何确定被测温度?　　1. 根据K型热电偶分度表，查得20℃时对应的热电势为0.798mV　　2. 将此值与测量得到的40mV相加，得到40.798mV　　3. 最后，根据分度表查找此总电压对应的温度，得到被测温度为980.823℃　　警示与纠正：　　一些工程师可能会直接将测量得到的热电偶电压转换为温度值并与冷端温度相加，这种方法忽略了热电偶中间温度定律，因而是错误的。正确的做法是按照上述步骤进行冷端补偿，以确保温度测量的准确性。　　通过上述精确的软件设计方法，可以充分利用ADX112Q的高性能特性，实现热电偶检测中的高精度温度测量。　　3.2、编程精要：ADX112接口与寄存器配置　　本小节将阐述ADX112的编程精要，对于详细的配置步骤和未尽事宜，强烈建议详细阅读ADX112Q的数据手册，以确保编程的准确性和系统性能的最优化。通过精确的配置，可以充分发挥ADX112Q在热电偶检测及其他传感器测量应用中的性能潜力。　　3.2.1、SPI通讯协议　　在SPI通信中，ADX112的SCLK引脚在空闲状态时保持低电平，并在SCLK的下降沿锁存DIN线上的数据。因此，微控制器(MCU)的SPI接口应配置为MODE 1模式(CPOL = 0, CPHA = 1)，以确保数据的正确同步和传输。　　3.2.2、寄存器架构　　ADX112的寄存器架构简洁高效，包含两个16位寄存器：AD转换结果寄存器(CONVERSION REGISTER)和配置寄存器(CONFIG REGISTER)。特别需要注意的是，转换结果以二进制补码形式存储。若需显示负数的绝对值，必须先进行相应的补码转换。　　3.2.3、数据传输周期　　ADX112Q支持在单一数据传输周期内直接回读配置寄存器的设置。一个完整的数据传输周期由32位组成，当启用配置寄存器数据回读功能时;若CS线可控，且未设置为永久低电平，则周期为16位。在实际应用中，32位的数据传输周期更为常见。　　在32位的数据传输周期中，数据由四字节组成：前两个字节包含转换结果，后两个字节为配置寄存器的回读数据。系统始终优先读取最高有效字节(MSB)。　　3.2.4、设置配置寄存器　　在本方案中，配置寄存器的设置是确保ADX112Q正确操作的关键步骤。以下是针对本方案的配置要点：　　1) 模式选择(MODE)　　考虑到本方案涉及两路K型热电偶输入及内部温度测量的需求，配置寄存器的MODE位(bit8)应设置为“Power-down and single-shot mode”。此模式在单次转换后自动进入低功耗状态，适合对功耗有严格要求的应用场景。　　2) 可编程增益放大器(PGA[2:0])　　K型热电偶的测温范围广泛，从-270℃至1370℃，对应的热电势为-6.5mV至54.8mV。为了适应这一输入范围，并且与ADX112的全量程±0.256V相匹配，PGA的增益应设置为0b111，确保信号在ADC的整个量化范围内得到准确转换。　　3) 输入多路复用器(MUX[2:0])　　由于需要处理两路差分输入的K型热电偶信号，MUX寄存器应根据输入通道在0b000和0b011之间进行切换，以选择正确的输入通道。　　4) 数据速率(DR[2:0])　　数据速率的设置决定了ADC的采样速度。在此方案中，DR位应设置为0b000，对应于8sps的数据速率，平衡了转换精度和系统功耗。　　5) 温度传感器模式(TS_MODE)　　TS_MODE位通常设置为0，以选择ADC模式。当需要进行温度测量时，应将此位设置为1，以切换至温度传感器模式(Temperature sensor mode)。　　6) 无操作位(NOP[1:0])　　在进行寄存器写入操作时，NOP位必须设置为0b01，以确保写入操作被执行。若设置为其他值，写入操作将被忽略。　　7) 单次启动位(SS)　　在Power-down and single-shot mode(单次模式)下，SS设置为1启动转换。在读取SS位时，0表示转换正在进行中，而1表示转换已完成，此时可以读取转换结果。值得注意的是，当SS位为1时，应再次读取转换结果寄存器，而不是直接采用本次读上来的数据。数据转换完成后，DOUT/DRDY引脚将输出低电平，为系统提供了另一种判断数据转换完成的方式。　　3.2.5、读取转换结果　　在配置寄存器正确设置之后，接下来的任务是按照既定流程切换通道并读取转换结果。以下是详细的步骤：　　1) 启动通道1单次转换：首先，向ADX112Q发送0x8F0B指令，此操作将完成配置并触发单次转换的开始。　　2) 查询转换状态：随后，发送0x0F0B指令以查询转换状态位SS。若SS位为0，表明转换正在进行中，此时需继续监控。　　3) 保存通道1转换结果并切换通道：一旦SS位变为1，表示转换已完成。此时，发送0xBF0B指令，将读取的转换结果保存，该结果将作为通道1(连接至AIN0和AIN1)的有效数据。　　4) 重复查询流程：再次发送0x030B指令，重新查询SS状态。若SS位为0，继续监控;若为1，则表明通道2的转换已完成。　　5) 保存通道2转换结果并切换通道：对于通道2(连接至AIN2和AIN3)，发送0x8F0B指令，将读取的转换结果保存，作为该通道的有效数据。　　6) 循环操作：返回至第2步，继续执行循环操作，以持续监测和记录各通道的转换结果。　　3.2.6、内置温度传感器数据的读取方法　　启用内置温度传感器模式，需将配置寄存器CONFIG REGISTER中的TS_MODE位设置为1。此时，温度数据将以16位转换结果中的14位左对齐格式表示，且从最高有效字节(MSB)开始输出。读取这两个数据字节时， 前14位用于表示温度测量结果。一个LSB 等于 0.03125°C。负数以二进制补码格式表示，如下表所示。　　4、总结　　本文详细介绍了基于类比半导体高性能16位模数转换器ADX112的热电偶检测方案。通过深入分析热电偶的工作原理、基本定律以及在信号采集环节中的挑战，我们展示了ADX112在解决这些挑战中的独特优势。ADX112的卓越噪声性能、宽输入范围、高精度温度传感器以及低功耗特性，使其成为热电偶检测应用的理想选择。　　在电路设计方面，我们提供了简洁而高效的设计方案，包括偏置电阻和抗混叠滤波电路的合理配置，确保了信号的稳定性和准确性。软件设计部分，我们详细阐述了冷端补偿的重要性和实施方法，以及与ADX112通信和数据处理相关的编程要点，确保了用户能够准确读取和转换热电偶信号为温度值。　　通过实际应用案例的分析，我们证明了ADX112在热电偶检测中的高性能表现，不仅满足了工业应用中的严苛要求，还通过其内置的高精度温度传感器，简化了冷端补偿的复杂性，提高了整体测量的精度和可靠性。　　ADX112的推出，不仅丰富了类比半导体在模拟和数模混合芯片领域的产品线，也为热电偶检测技术的发展树立了新的标杆。我们相信，凭借其高性能、灵活性和成本效益，ADX112将为工业测量领域带来更多创新的可能，助力客户实现更高效、更智能的自动化控制系统。　　随着技术的不断进步和市场需求的日益增长，类比半导体将继续致力于技术创新，推动高精度、高稳定性能的芯片研发，满足工业和汽车等市场的多样化需求。我们期待与广大客户和合作伙伴携手前进，共创更加智能化和科技化的未来。
2024-08-21 10:20 阅读量：663
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