本應(yīng)用筆記討論了MAX11254在壓力傳感器應(yīng)用中的卓越性能,這要?dú)w功于其吸引人的特性,包括多個(gè)差分輸入通道、低噪聲、高內(nèi)部可編程增益放大器和低功耗。
介紹
壓力傳感器測(cè)量施加在單位區(qū)域(例如氣體、液體或床墊等特定平臺(tái)上的力體)的力。壓力傳感器充當(dāng)傳感器,并產(chǎn)生與其所承受的力相對(duì)應(yīng)的電壓電信號(hào)。該輸出電壓通常在毫伏范圍內(nèi)非常低。為了捕獲這種低壓信號(hào),必須使用非常靈敏和精確的器件,如MAX11254模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
MAX11254 ADC基本特性
MAX11254為6通道、24位Δ-Σ型ADC,性能出色,工作模式下僅消耗2.2mA電流,休眠模式下功耗僅為1μA。高達(dá) 64ksps 的采樣率可實(shí)現(xiàn)精確的直流測(cè)量。此外,內(nèi)部可編程增益差分放大器 (PGA) 噪聲僅為 6.2nV/√Hz,可編程范圍為 1 至 128,這使其成為測(cè)量輸出電壓信號(hào)極低的壓力傳感器的理想器件。
MAX11254的輸入?yún)⒖荚肼曉?0sps (0.81μVRMS)的低采樣速率下比在12.8ksps (10.8μVRMS)的高采樣速率下至少低13倍。表1給出了MAX11254數(shù)據(jù)資料中MAX11254在單周期轉(zhuǎn)換模式下的噪聲數(shù)據(jù)。
PGA: 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
數(shù)據(jù)速率 | LP | LN | LP | LN | LP | LN | LP | LN | LP | LN | LP | LN | LP | LN | LP | LN |
50 | 0.81 | 0.58 | 0.38 | 0.27 | 0.18 | 0.13 | 0.1 | 0.07 | 0.09 | 0.07 | 0.08 | 0.06 | 0.08 | 0.06 | 0.08 | 0.06 |
62.5 | 0.88 | 0.63 | 0.48 | 0.34 | 0.21 | 0.15 | 0.12 | 0.09 | 0.09 | 0.07 | 0.08 | 0.06 | 0.08 | 0.05 | 0.08 | 0.05 |
100 | 1.18 | 0.84 | 0.61 | 0.44 | 0.3 | 0.21 | 0.17 | 0.12 | 0.12 | 0.08 | 0.09 | 0.07 | 0.09 | 0.07 | 0.1 | 0.07 |
200 | 1.38 | 0.99 | 0.68 | 0.49 | 0.35 | 0.25 | 0.21 | 0.15 | 0.15 | 0.1 | 0.12 | 0.08 | 0.11 | 0.08 | 0.11 | 0.08 |
400 | 1.63 | 1.16 | 0.85 | 0.61 | 0.45 | 0.32 | 0.27 | 0.19 | 0.19 | 0.14 | 0.16 | 0.12 | 0.15 | 0.11 | 0.16 | 0.11 |
800 | 2.12 | 1.51 | 1.1 | 0.79 | 0.61 | 0.43 | 0.36 | 0.26 | 0.27 | 0.2 | 0.24 | 0.17 | 0.23 | 0.16 | 0.23 | 0.16 |
1,000 | 2.38 | 1.7 | 1.25 | 0.89 | 0.69 | 0.49 | 0.41 | 0.29 | 0.31 | 0.22 | 0.27 | 0.19 | 0.26 | 0.18 | 0.26 | 0.19 |
1600 | 3.21 | 2.29 | 1.67 | 1.19 | 0.89 | 0.64 | 0.56 | 0.4 | 0.41 | 0.29 | 0.36 | 0.26 | 0.35 | 0.25 | 0.49 | 0.35 |
3200 | 4.41 | 3.15 | 2.28 | 1.63 | 1.25 | 0.89 | 0.78 | 0.55 | 0.58 | 0.41 | 0.51 | 0.36 | 0.49 | 0.35 | 0.59 | 0.42 |
4000 | 5.18 | 3.7 | 2.68 | 1.91 | 1.48 | 1.06 | 0.91 | 0.65 | 0.69 | 0.49 | 0.6 | 0.43 | 0.58 | 0.41 | 0.83 | 0.59 |
6400 | 7.34 | 5.24 | 3.83 | 2.73 | 2.08 | 1.48 | 1.29 | 0.92 | 0.98 | 0.7 | 0.86 | 0.61 | 0.81 | 0.58 | 1.16 | 0.83 |
12800 | 10.8 | 7.74 | 5.59 | 3.99 | 3.01 | 2.15 | 1.85 | 1.32 | 1.37 | 0.98 | 1.23 | 0.88 | 1.17 | 0.83 | 1.16 | 0.83 |
在表1中,LP為低功耗模式,LN為低噪聲模式。在LP模式下,該器件的功耗比低噪聲模式下低約1mA。然而,在LN模式下,該器件針對(duì)低噪聲性能進(jìn)行了優(yōu)化,其折合到輸入端的噪聲電壓通常比低功耗模式下低40%。
根據(jù)表1中的噪聲數(shù)據(jù),采樣速率越低,折合到輸入端的噪聲越低,這意味著信噪比(SNR)和信噪比加失真(SINAD)值越高。因此,根據(jù)以下等式,在低采樣率下,有效位數(shù)(ENOB)更高:
評(píng)估了MAX11254的動(dòng)態(tài)性能。圖1至圖4顯示了采樣率高達(dá)64ksps的單周期和連續(xù)模式的ENOB值。
圖1.MAX11254 ENOB值在單周期轉(zhuǎn)換模式下為直接增益范圍為1至128,采樣速率高達(dá)1ksps。
圖2.MAX11254 ENOB值在單周期轉(zhuǎn)換模式下為直接增益范圍為1至128,采樣速率高達(dá)12.8ksps。
圖3.MAX11254 ENOB在連續(xù)模式下的直接增益范圍為1至128,采樣速率高達(dá)1ksps。
圖 4.MAX11254 ENOB值在連續(xù)模式下直接和增益范圍為1至128,采樣速率高達(dá)64ksps。
如圖1至圖4所示的測(cè)量數(shù)據(jù)證實(shí),在最低采樣速率下,22.5位的ENOB最高?;谶@些測(cè)量數(shù)據(jù),為了更準(zhǔn)確地捕獲壓力傳感器的低輸出電壓,最好以較低的采樣率進(jìn)行。原因是噪聲相對(duì)于頻率主要是平坦的。因此,由于帶寬較窄,降低采樣率會(huì)成比例地降低噪聲。因此,ENOB在較低的采樣率下更高。此外,由于PGA的噪聲低于ADC調(diào)制器的噪聲,因此使用PGA通常比旁路或直接模式產(chǎn)生更高的ENOB。
圖5所示為MAX11254 ADC,MPXV10GC6U配置為壓力傳感器,用于測(cè)量傳感器的輸出電壓,對(duì)應(yīng)于施加的輸入壓力。
圖5.MAX11254 ADC壓力傳感器連接。
在 0 PSI 時(shí),壓力傳感器的輸出電壓在精密電壓計(jì)(如安捷倫 34401A)上指示 19.998mV。MAX11254測(cè)得的電壓為20.034mV。當(dāng)壓力增加到1.35 PSI時(shí),MAX11254從傳感器捕獲的相應(yīng)輸出電壓為53.103mV。圖6和圖7分別給出了MAX11254EVKIT軟件上測(cè)得的電壓與壓力的關(guān)系以及捕獲的數(shù)據(jù)。
圖6.壓力傳感器的傳遞函數(shù)。
圖7.MAX11254輸出電壓為0 PSI。
圖8.MAX11254測(cè)量MPXV10CC6U傳感器的輸出電壓精度與壓力的關(guān)系。
結(jié)論
壓力傳感器通常提供非常低的輸出電壓(以毫伏為單位),這就需要具有寬動(dòng)態(tài)增益范圍的低噪聲和高精度ADC來精確測(cè)量電壓。MAX11254 ADC具有極低的密度噪聲,僅為6.2nV/√Hz PGA,增益范圍為1倍至128倍,因此設(shè)計(jì)滿足所有這些嚴(yán)格要求。該內(nèi)部PGA還提供輸入信號(hào)隔離。因此,無需其他外部放大器即可實(shí)現(xiàn)出色的性能。此外,MAX11254內(nèi)置時(shí)序控制器和6路差分輸入,支持掃描選定的模擬通道、可編程轉(zhuǎn)換延遲和數(shù)學(xué)運(yùn)算。這使其成為自動(dòng)壓力傳感器監(jiān)測(cè)的理想設(shè)備。
審核編輯:郭婷
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