通用感測器接口UTI03

通用感測器接口UTI03是荷蘭Smartec聯合荷蘭代爾夫特理工大學實驗室研製成功的。它是針對電阻式、微電容式、電阻橋式感測器而開發的接口晶片。它誕生的原因是：Smartec公司意識到這么多年來，有經驗的工程師對模擬輸出感測器，如鉑電阻，熱敏電阻，惠斯頓電橋等非常熟悉，他們需要一種可以把模擬感測器直接連上單片機的媒介。

基本介紹

• 中文名：通用感測器接口UTI03
•  類別：接口晶片
•  開發人：Smartec和代爾夫特理工大學
•  工作溫度：-40~180℃（裸機）

特性

◆ 為下列感測器提供接口：電容式感測器，鉑電阻，熱敏電阻，電阻橋感測器和電位計

◆ 可以同時測量多個感測器

◆ 單路供電2.9~5.5V，電流消耗低於2.5mA◆ 解析度和線性度可達14位和13位

◆ 偏置和增益的連續自動校正

◆ 微處理器兼容的輸出信號

◆ 三態輸出

◆ 測量時間10ms或100ms，快慢模式可調

◆ 幾乎全部採用2/3/4線制測量方式

◆ 感測器激勵信號為交流電壓

◆ 抗 50/60Hz干擾◆ 掉電模式

◆ 工作溫度：-45~85℃ （DIL，SOIC）

◆ 工作溫度：-40~180℃（裸機）

套用

自動化，醫療和工業等方面的套用

◆ 精確溫度測量（Pt，NTC）

◆ 阻橋式的壓力感測器等

◆ 角度，位置感測

◆ 容性感測器的參數測量

◆ 電位計

概述

UTI是基於一個周期調製的振盪器並用於低頻測量的模擬前端。感測元件可直連在UTI上，且不需要任何外接電路，僅需一相同類型的參考元件。UTI的輸出是周期調製信號，可與微處理器（MCU）兼容。UTI為下列元件提供接口：

◆ 容性感測器0~2pF，0~12pF等，最大到300pF

◆ 鉑電阻Pt100 Pt1000

◆ 熱敏電阻1k~25k

◆ 阻性電橋 250~10k 最大不平衡度±4%或±0.25%

◆電位計1k~50k

UTI對於基於智慧型MCU的系統非常適合。所有的信息只通過一MCU兼容的信號輸出，這樣大大的減少了各分立模組之間的外接線和耦合器。

三信號技術連續地自校正增益和偏移量，斬波技術消除了低頻信號的干擾。UTI具有16中工作模式，可通過相關的引腳進行設定。

引腳	引腳功能
VDD，Vss	供電
A~F	感測器接口
SEL..SEL4	設定模式
OUT	輸出
SF	快/慢模式設定
CML	CMUX02/CMUX12模式設定
PD	掉電模式（三態)

工作模式

UTI具有16種工作模式。這些模式被SEL1、SEL2、SEL3、SEL4這四個引腳控制。SF控制快慢模式，而PD控制掉電模式

PD用作控制掉電模式。當PD=0，UTI掉電模式工作，對外呈現高阻抗。這使得多個UTI的輸入可以連在一個線上，通過設定PD來選擇其中一個UTI的輸出信號傳輸至匯流排上。

在模式CMUX下，CML引腳用於選擇容值範圍。當CML=1時，範圍為0~12pF；當CML=0時，範圍為0~2pF。而在其他模式下，CML通常接地。

不允許任何引腳浮置，除非有特殊要求。

SEL
1	2	3	4	模式	相數	模式名	模式編號
			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
			橋性模式
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

感測元件測量理論

三信號技術

三信號技術是一種線上性系統中消除未知偏置和未知增益的技術。為了利用這種技術，除了測量感測器的信號之外，還需用相同的方法測試兩個參考信號，假設一線性系統的關係如下：

Mi=kEi+Moff

我們給系統設定3個不同的輸入：E1=0，E2=Ere，E3=Ex 則：

M1=Moff，M2=Mref=k*Eref+Moff，M3=Mx=k*Ex+Moff 算出：

P=（M3-M1)/(M2-M1)=Ex/Eref

對於線性系統，在上式中我們可以看到未知偏置和未知增益的影響被消除了，而且P代表這未知感測器信號與已知感測器信號之比，這種技術叫做三變數技術，或者三信號技術。儘管偏移量和增益的大小可能隨時會變化，但是它們對結果都沒有影響，因此，UTI具有自校正功能。

使用三信號技術需要一MCU，它能數位化UTI的輸出信號，並對數據進行存儲和運算。這樣一個綜合感測器、信號處理電路（例如UTI)、MCU的功能模組叫做基於微處理器的智慧型感測系統。自校正的特性說明UTI性能不受溫度影響。

感測器的測量

UTI輸出是一周期調製信號，如下圖，展示了兩個由三相組成的完整周期：

三信號技術要求必須給UTI提供三個或三個以上的輸入，第一相時，輸入一般為0；第二相是，輸入切換到參考元件的輸出；接下來的相UTI將測量一個或更多未知感測器的輸出。上圖描述的情況里只有一個未知感測器需被測量。UTI輸入信號的控制完全能夠由其本身控制，不需MCU的干涉。

第一相時整個線性系統的偏置量被測量了；第二相時參考信號被測量了，最後一相未知感測器元件被測量了。各相持續的時間是與各相的被測信號呈比例關係，如下表：

容性測量	阻性測量
Toff=NK1C0	Toff=NK2V0
Tref=NK1(Cref+C0)	Tref=NK2(Vref+V0)
Tx=NK1(Cx+C0)	Tx=NK2(Vx+V0)

Cx和Vx是須被測量的感測器的參數，Cref和Vref是參考信號，C0和V0是不變部分（包括電壓偏移量等）。K1和K2是增益。因子N代表內部振盪器的周期數，快模式下，N=128；慢模式下，N=1024。Vx和Vref，可能分別是阻性感測與參考電阻兩端的電壓，也可能分別是阻橋感測輸出電壓與電橋供電電壓；不同模式下代表代表不同的含義。UTI的輸出能夠通過計算每相MCU的時鐘信號而數位化，結果就是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

因為P不取決於系統偏移量和增益，因此說系統具有自校正功能。

抗訴三相是分時測量的。第一相由兩個周期組成（輸出頻率暫時的翻倍了）。正因如此，MCU能夠識別各相併做出正確的計算。因為第一相（偏置相）總是最短的，這也能被用識別各相。一般一整個輸出信號周期含相數3到5個，這主要取決於UTI的工作模式。每個特定的工作模式有固定的周期數。通常UTI測試都有一個偏置量的測量、一個參考量的測量和一個或多個的未知元件的的測量。

解析度和精度

UTI輸出由MCU數位化。但數位化過程引入了量化干擾，它會限制UTI的解析度。任何相的量化干擾造成的誤差，由下式決定： σ=ts/2.3*Tphase

ts是取樣時間，Tphase是相持續時間。例如：ts=1us，Tphase=20ms，σ=1/45000，由此推出慢模式下最大解析度為15.5BIT，而快模式下為12.5BIT。

為進一步改善解析度可取M1… Mp後取平均值，σ將減小p倍。

線性度

一般UTI的線性度位於11BIT與14BIT之間，這主要取決於工作模式。

UTI的容性測量

一般測量電容的方法是並聯，UTI的測量方法則比較特殊：

傳統測量電容的方法中，電路電容並聯被測電容。避免測量小電容時長電纜的影響是比較難的。UTI採用基於電荷轉移的四電極法解決了這個問題，電容激勵來自一個電源。這說明Cp1個並聯在電壓源上，因此不是測試電路的一部分。Cx上的電荷被一接地的電荷放大器吸收，說明Cp2被短路了。採用四電極發測電容可小至aF級別，而電纜線的寄生電容可能會有上百pF。

從抗訴的"非線性度與寄生電容的關係圖"中可以看出，寄生電容為500pF時，非線性度為10E-3。

當測量多個電容時，每個節點（例如A、B、C、D、E、F）會被依次激活一段特定的時間。節點在沒有激活時是接地並相互並聯的，所以對測量沒有影響。節點的激活轉換完全有UTI自動控制。在CMUX模式下，被測電容的數目是沒有限制的。