Condizionamento dei segnali più facile

XR10910_CE

Nei settori consumer e industriale i sensori sono utilizzati in una pluralità di applicazioni che spaziano dai telefoni cellulari ai tablet, dal rilevamento di precisione alla misura di distanze, dall’elaborazione delle immagini/identificazione alla strumentazione di processo. Molti di questi sistemi integrano più sensori analogici al fine di rendere i dispositivi più intelligenti, efficienti e produttivi. Questi sensori possono essere impiegati per rilevare parametri quali pressione, temperatura, forza, posizione, temperatura, luce, flusso dell'acqua, suoni, velocità, calore e molti altri ancora. Il numero di sensori presenti nei più comuni elettrodomestici è decisamente elevato. Una lavatrice di ultima generazione, ad esempio, integra sensori che rilevano corrente del motore, velocità del cestello, livello, flusso e temperatura dell’acqua, sbilanciamento, apertura/chiusura sportello e, in alcuni modelli, sono previsti tasti con sensori tattili per il controllo del ciclo. Le lavatrici a caricamento verticale ad alta efficienza determinano il livello dell'acqua per ciascun carico in base al peso dei capi da lavare. Grazie ai sensori e alle interfacce per sensori è possibile soddisfare il sempre più lungo elenco di requisiti, in termini di efficienza e sicurezza, richiesti dagli odierni elettrodomestici. I sensori analogici producono un segnale elettrico solitamente di debole intensità al quale è sovrapposto un certo livello di rumore. In molti casi, non ci sono due sensori uguali e ciascun sensore è contraddistinto da una propria "impronta" caratteristica in termini di rumore e introduce un offset specifico nel percorso del segnale. Calibrare il sistema, distinguere il segnale dal rumore e amplificare il segnale stesso sono operazioni critiche che influenzano le prestazioni del sistema finale. Tra il sensore analogico e i circuiti per l'elaborazione del segnale digitale è presente un'interfaccia elettronica il cui compito è condizionare il segnale elettrico al fine di garantire che esso rientri nel range di ingresso del convertitore A/D situato a valle. Al giorno d'oggi i sistemi industriali utilizzano numerosi sensori di diversi tipi, generando quindi richieste sempre più spinte sull'elemento di condizionamento del segnale in uscita dal sensore. I sistemi che integrano più sensori richiedono vari livelli di calibrazione e amplificazione per poter elaborare in maniera efficace i segnali del sensore e trasferirli al convertitore A/D a valle. L'uso sempre più massiccio di sensori in dispositivi e apparati elettronici ha fatto aumentare la richiesta di soluzioni di interfacciamento con i sensori stessi più versatili ed economiche.
Le funzionalità richieste per il condizionamento dei segnali possono essere implementate ricorrendo a soluzioni discrete formate da più componenti. In molti casi, le soluzioni per l'interfacciamento di sensori di tipo discreto non prevedono un guadagno variabile o un offset regolabile per ciascun ingresso del sensore. Le soluzioni discrete spesso assorbono una potenza più elevata, sono caratterizzate da dimensioni maggiori e richiedono tempi di progetto più lunghi rispetto a una soluzione integrata. Attualmente sono molti i produttori che propongono Analog Front End integrati per l'interfacciamento di sensori. Parecchi di questi integrano un processore che può essere duplicato nel sistema finale dell'utilizzatore e possono includere funzionalità non richieste in numerose applicazioni - come ad esempio protezione della memoria ed esecuzione di calcoli matematici complessi - che contribuiscono all'aumento dei costi. L'Afe per l'interfacciamento di sensori XR10910 di Exar si propone come una soluzione integrata che mette a disposizione un elevato numero di canali e di funzionalità all'interno di un dispositivo ospitato in package di dimensioni ridotte e contraddistinto da consumi inferiori rispetto a quelli di analoghe soluzioni presenti sul mercato.


Un Afe per interfaccia sensore con mux 16:1
L'interfaccia per sensori XR10910 integra un multiplexer differenziale 16:1, un amplificatore per strumentazione a guadagno programmabile, un convertitore D/A con correzione dell'offset a 10 bit e un regolatore Ldo (Low Dropout). Funzionalità e caratteristiche di XR10910 sono controllate mediante un'interfaccia I2C. Le prestazioni e le caratteristiche di questo circuito di interfaccia ne fanno un utile complemento degli attuali microcontrollori o Fpga con convertitori A/D integrati. L’XR10910 è uno dei pochi Afe per l'interfacciamento di sensori al momento disponibili che permette di interfacciarsi con 16 sensori con uscita differenziale. Ciascun sensore collegato con XR10190 ha un proprio offset intrinseco che se non calibrato può contribuire a diminuire la sensibilità e le prestazioni complessive del sistema sensore. Il convertitore D/A integrato introduce un offset nell'amplificatore per strumentazione per calibrare la tensione di offset generata dai sensori. Per ciascuno dei 16 canali è possibile impostare un offset indipendente. L'amplificatore per strumentazione a guadagno programmabile permette di selezionare 8 valori del guadagno (da 2V/V a 760V/V) per amplificare il segnale in modo da garantirne la compatibilità con il range di ingresso del convertitore A/D a valle. XR10910 integra anche un Ldo che può essere utilizzato dai progettisti al fine di fornire una tensione regolata per alimentare i sensori. Tra le altre caratteristiche di rilievo di XR10910 si possono annoverare le seguenti: intervallo di tensione di alimentazione analogica compreso tra 2,7 e 5 V, intervallo di tensione di alimentazione digitale compreso tra 1,8 e 5 V, consumo di 457 µA e possibilità di funzionamento in modalità sleep con un assorbimento pari a soli 45 µA. Il front-end analogico di Exar è caratterizzato da una linearità del percorso del segnale di 14 bit e da ridotti valori sia di rumore picco-picco (2µVpp con G = 760) sia di rumore della tensione di uscita (35nV/√Hz con G = 760), come visibile nelle Figg. 2 e 3. I bassi valori di rumore abbinati al ridottissimo valore della corrente di polarizzazione (100 pA, valore max) consentono a questo circuito Afe di interfacciarsi con un'ampia gamma di sensori e operare senza problemi con convertitori A/D a 16 bit operanti con tensioni comprese fra 3 e 5V,

Innumerevoli vantaggi
Numerosi sono i vantaggi legati all'adozione di XR10910:

  • Integrazione di multiplexer, convertitore D/A, amplificatore Pga e regolatore Ldo per semplificare il condizionamento dei segnali in uscita dai sensori
  • Maggiore flessibilità rispetto a soluzioni Afe più integrate
  • Minori consumi rispetto a quelli di soluzioni più integrate e consumi uguali (o inferiori) rispetto a quelli di soluzioni discrete
  • Interfaccia I2C semplice e facile da usare
  • Package Qfn di dimensioni pari a 6x6 mm
  • Elevato numero di canali per semplificare il layout della scheda e minimizzare gli ingombri.

Basso consumo per 16 sensori a ponte
Parecchi sensori di forza e pressione utilizzano un elemento resistivo configurato sotto forma di circuito a ponte di Wheatstone spesso indicato con il nome di estensimetro (strain gauge). Gli elementi resistivi del ponte variano la loro resistenza in risposta a sollecitazioni meccaniche. I sensori estensimetrici sono utilizzati solitamente per misure sia di forza sia di pressione. XR10910 è un'interfaccia per il condizionamento dei segnali posto tra più sensori in configurazione a ponte e una Mcu con convertitore A/D o un Fpga. I sensori a ponte hanno un segnale di uscita differenziale (VO+ e VO-). In linea teorica, l'uscita di un ponte non caricato è pari a zero (VO+ e VO- sono identici). In ogni caso, valori poco precisi delle resistenze danno origine a una differenza tra VO+ e VO-. Questa tensione di offset del ponte può essere di notevole entità e variare tra i diversi sensori provocando una diminuzione dell'accuratezza del sistema. XR10910 permette di calibrare l'offset del ponte per ciascuno dei 16 sensori mediante il convertitore A/D presente a bordo.
XR10910 si propone come una soluzione di uso molto semplice per l'interfacciamento di un massimo di 16 sensori a ponte. Con un consumo di corrente di soli 457µA e un ingombro di appena 36mm2, XR10910 è sicuramente il circuito di interfaccia più piccolo e a più basso consumo al momento disponibile per l'interfacciamento di 16 sensori a ponte. XR10910 è il capostipite di una famiglia, in rapida espansione, di interfacce per sensori di semplice uso proposta da Exar. Il set di caratteristiche integrate in questo nuovo circuito permette di colmare il divario attualmente esistente tra soluzioni discrete, corredate da un minor numero di funzionalità e Afe su singolo chip per l'interfacciamento di sensori che integrano risorse di elaborazione. Rispetto a questi due tipi di soluzioni, XR10910 è caratterizzato da un maggior numero di canali, minori consumi e dimensioni più ridotte. I sensori e le tecnologie di rilevamento saranno utilizzati in un numero sempre crescente di prodotti elettronici di uso quotidiano e i dispositivi per il condizionamento dei segnali dei sensori come XR10910 continueranno a rivestire un ruolo chiave nel definire le modalità con cui questi sensori si interfacciano con un mondo sempre più digitale e wireless.

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