通用感测器接口UTI03
通用感测器接口UTI03是荷兰Smartec联合荷兰代尔夫特理工大学实验室研製成功的。它是针对电阻式、微电容式、电阻桥式感测器而开发的接口晶片。它诞生的原因是:Smartec公司意识到这幺多年来,有经验的工程师对模拟输出感测器,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感测器直接连上单片机的媒介。
基本介绍
- 中文名:通用感测器接口UTI03
- 类别:接口晶片
- 开发人:Smartec和代尔夫特理工大学
- 工作温度:-40~180℃(裸机)
特性
◆ 为下列感测器提供接口:电容式感测器,铂电阻,热敏电阻,电阻桥感测器和电位计
◆ 可以同时测量多个感测器
◆ 单路供电2.9~5.5V,电流消耗低于2.5mA◆ 解析度和线性度可达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
◆ 几乎全部採用2/3/4线制测量方式
◆ 感测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)
套用
自动化,医疗和工业等方面的套用
◆ 精确温度测量(Pt,NTC)
◆ 阻桥式的压力感测器等
◆ 角度,位置感测
◆ 容性感测器的参数测量
◆ 电位计
概述
UTI是基于一个周期调製的振荡器并用于低频测量的模拟前端。感测元件可直连在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的输出是周期调製信号,可与微处理器(MCU)兼容。UTI为下列元件提供接口:
◆ 容性感测器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对于基于智慧型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组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定。

引脚 | 引脚功能 |
VDD,Vss | 供电 |
A~F | 感测器接口 |
SEL..SEL4 | 设定模式 |
OUT | 输出 |
SF | 快/慢模式设定 |
CML | CMUX02/CMUX12模式设定 |
PD | 掉电模式(三态) |
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,通过设定PD来选择其中一个UTI的输出信号传输至汇流排上。
在模式CMUX下,CML引脚用于选择容值範围。当CML=1时,範围为0~12pF;当CML=0时,範围为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。
SEL | |||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 模式 | 相数 | 模式名 | 模式编号 |
容性模式 | |||||||
0 | 0 | 0 | 0 | 5 Capacitor 0~2pF | 5 | C25 | 0 |
0 | 0 | 0 | 1 | 3 Capacitors 0~2pF | 3 | C23 | 1 |
0 | 0 | 1 | 0 | 5 Capacitors 0~12pF | 5 | C12 | 2 |
0 | 0 | 1 | 1 | external Mux 0~2 / 0~12pF | - | CMUX | 3 |
0 | 1 | 0 | 0 | 3 Capacitors varialble range (<300pF) | 3 | C300 | 4 |
阻性模式 | |||||||
0 | 1 | 0 | 1 | Platinum resistor Pt100 / Pt1000 , 4-wire | 4 | Pt | 5 |
0 | 1 | 1 | 0 | Thermistor 1-25kΩ | 4 | Ther | 6 |
0 | 1 | 1 | 1 | 2 or 3 Pt100 / Pt1000 | 5 | Pt2 | 7 |
1 | 0 | 0 | 0 | 2 or 3 Thermistors 1~25kΩ | 5 | Ther2 | 8 |
桥性模式 | |||||||
1 | 0 | 0 | 1 | Resitive bridge , Vbridge (±200mV) | 3 | Ub2 | 9 |
1 | 0 | 1 | 0 | Resistive bridge , Vbridge (±12.5mV) | 3 | Ub1 | 10 |
1 | 0 | 1 | 1 | Resistive bridge , Ibridge ,(±200mV) | 3 | Ib2 | 11 |
1 | 1 | 0 | 0 | Resistive bridge , Ibridge ,(±12.5mV) | 3 | Ib1 | 12 |
1 | 1 | 0 | 1 | Res bridge and two resistors (200mV) | 5 | Brg2 | 13 |
1 | 1 | 1 | 0 | Res bridge and two resistors (12.5mV) | 5 | Brg1 | 14 |
1 | 1 | 1 | 1 | 3 potentiometer 1~50kΩ | 5 | Potm | 15 |
感测元件测量理论
三信号技术
三信号技术是一种线上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,除了测量感测器的信号之外,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係如下:
Mi=kEi+Moff
我们给系统设定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代表这未知感测器信号与已知感测器信号之比,这种技术叫做三变数技术,或者三信号技术。儘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,它能数位化UTI的输出信号,并对数据进行存储和运算。这样一个综合感测器、信号处理电路(例如UTI)、MCU的功能模组叫做基于微处理器的智慧型感测系统。自校正的特性说明UTI性能不受温度影响。
感测器的测量
UTI输出是一周期调製信号,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感测器的输出。上图描述的情况里只有一个未知感测器需被测量。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,最后一相未知感测器元件被测量了。各相持续的时间是与各相的被测信号呈比例关係,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是须被测量的感测器的参数,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,可能分别是阻性感测与参考电阻两端的电压,也可能分别是阻桥感测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的时钟信号而数位化,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。
抗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能够识别各相併做出正确的计算。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。
解析度和精度
UTI输出由MCU数位化。但数位化过程引入了量化干扰,它会限制UTI的解析度。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解析度为15.5BIT,而快模式下为12.5BIT。
为进一步改善解析度可取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採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。採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。
从抗诉的"非线性度与寄生电容的关係图"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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