电感式传感器的测量电路组成_电感式传感器的分类

电感式传感器的测量电路组成_电感式传感器的分类关键词:LDC1314,电感传感器,金属传感器,中文手册【声明:本博文参考TI官方手册翻译而成,旨在帮助大家快速了解这款芯片,如翻译有误欢迎评论指出,转载需注明来源!】以下是我对TI官方手册的人肉翻译,截取了其中的关键部分,有助于大家更好的撸底层驱动和排查硬件问题。相关博客:【LDC1314】金属传感器(电感传感器)的调试技巧首先,是引脚位的定义与说明:引脚 引脚类型...

关键词:LDC1314,电感传感器,金属传感器,中文手册

【声明:本博文参考TI官方手册翻译而成,旨在帮助大家快速了解这款芯片,如翻译有误欢迎评论指出,转载需注明来源!】

以下是我对TI官方手册的人肉翻译,截取了其中的关键部分,有助于大家更好的撸底层驱动和排查硬件问题。

相关博客:【LDC1314】金属传感器(电感传感器)的调试技巧

首先,是引脚位的定义与说明:

电感式传感器的测量电路组成_电感式传感器的分类

引脚 引脚类型 描述
脚位 名称
1 SCL 输入 IIC时钟输入;开漏输出;需要电阻上拉到逻辑高电平
2 SDA 输入/输出 IIC数据输入输出;开漏输出;需要电阻上拉到逻辑高电平
3 CLKIN 输入 外部参考时钟输入,如果使用芯片内部振荡器则连接到GND
4 ADDR 输入 IIC地址选择端;当输入低电平则IIC地址为0x2A;当输入高电平则IIC地址为0x2B;此输入端不可悬空
5 INTB 输出 可配置中断输出引脚;推挽输出;无需上拉
6 SD 输入 强休眠(Shutdown)输入脚;低电平时为一般工作状态,高电平时进入休眠状态;此输入端不可悬空
7 VDD 正电源 正极电源(+3.3V)
8 GND 负电源 地电位
9 IN0A 模拟 外部LC传感器0
10 IN0B 模拟 外部LC传感器0
11 IN1A 模拟 外部LC传感器1
12 IN1B 模拟 外部LC传感器1
13 IN2A 模拟 外部LC传感器2
14 IN2B 模拟 外部LC传感器2
15 IN3A 模拟 外部LC传感器3
16 IN3B 模拟 外部LC传感器3
17 DAP 固定 连接到地电位

供电部分

  • 正常情况在+3.3V下工作;
  • 典型工作电流 2.1mA;
  • 休眠(SLEEP_MODE_EN=b1)模式最大 60uA;
  • 强休眠(SD = Vdd)最大 1uA

传感器部分

  • 传感器最大电流驱动 1.5mA(HIGH_CURRENT_DRV = 0)
  • 传感器电阻Rp = 1~100kΩ
  • 高电流驱动模式(仅限通道0)最大电流 6mA(HIGH_CURRENT_DRV = 1 )
  • 传感器谐振频率1KHz~10MHz
  • 最大振幅1.8V
  • 最高精度12bit
  • 最大采样率(单通道持续转换,IIC时钟频率@400kHz)为13.3ksps
  • 传感器引脚输入电容约为4pF

数字信号引脚部分

  • INTB引脚低电平≤0.4V
  • INTB引脚高电平≥2.4V

I2C通讯部分(节选)

  • 时钟频率10kHz~400kHz

综述

        LDC1314是一种电感-数字转换器(LDC),用于测量多个LC谐振器的谐振频率。该装置输出与频率成比例的数字值,有12位精度,测得的频率可以换算成等效电感值,或者用来测量可导电物体的运动,内部时钟可以减少系统功耗,外接时钟可以改善测量噪声,每个通道的测量转换时都可以设置,长转换时间可以提供更高的测量精度。对器件的配置通过 400 kbit/s 的 I2C总线配置,ADDR可选择I2C地址,唯一必要的外部元件是旁路电容和I2C的上拉电阻。

功能块示意图

电感式传感器的测量电路组成_电感式传感器的分类

  • 传感器的谐振频率为ƒSENSOR,芯片的参考时钟频率为ƒREF,测量得到的数字量 = K* (ƒSENSOR/ƒREF),K>0
  • SD拉高可使芯片进入强休眠模式以降低功耗
  • INTB可以被配置用来通知主机返回芯片的系统状态改变

多通道和单通道

  • LDC1314可以配置单通道持续采样或者多通道序列采样
  • 当工作在多通道模式下,芯片会持续序列采样被选中的多个通道;
  • 当工作在单通道模式下,芯片会连续采样被选中的通道。

可调节的转换时间

  • 转换时间长则测量精度高,转换时间可以设置为3.2us~26.2ms(一个16位寄存器)

数字信号增益

  • 输出只有12位精度,但是内部信号支持通过增益设置产生16位输出
  • 传感器启动与故障配置
  • 为了最小化噪声影响,传感器开始测量应该确保在传感器振幅稳定之后,芯片提供每个通道一个可调的的启动时间(1.2us~26.2ms)通过 SETTLECOUNTx 寄存器
  • 芯片提供一个内部滤波器,以减弱来自外部噪声源的干扰

参考时钟

  • 芯片内部时钟为43MHz,如需高精度测量,请使用外部晶振
  • 芯片提供数字分频器给参考时钟和传感器输入,确保频率可以被LDC核接受,每个通道都有一个分频器
  • 更高的参考频率提供更高的采样精度和采样率

传感器电流驱动控制

  • 传感器线圈工作有损耗,需要芯片的能量注入来维持传感器振幅恒定,芯片通过一个匹配LC振荡器频率的交变电流提供能量
  • 必须设置驱动电流大小以确保振幅在1.2V~1.8V
  • 每个通道通过 IDRIVEx 寄存器可以独立设置电流大小为16uA~1.6mA
  • 芯片也可以自主决定合适的电流等级,甚至动态的调节电流通过 RP_OVERRIDE_EN  功能

传感器状态监视器

  • 芯片支持将传感器状态通过I2C接口传出,传出条件:
  1. 传感器振幅超范围
  2. 传感器未起振
  3. 新转换数据就绪
  4. 转换出错

设备功能模式

  • 启动模式
    • 芯片上电,会进入休眠模式等待配置,一旦设备配置完成(设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN = b0)将退出休眠开始转换
    • 推荐在休眠模式配置参数,配置完毕退出休眠模式
  • 休眠模式
    • 通过设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN = b1 进入此模式
    • 在此模式设备配置会保存,但不会开始转换
    • 设置完成后,设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN = b0 进入工作模式,注意,第一次转换在16384÷ƒINT(其实就是16384个转换周期) 后开始
    • 在休眠模式中读写寄存器均能生效,但在进入休眠模式时会清除所有转换结果,错误情况,以及重新配置INTB引脚
  • 一般模式
    • 在此模式,芯片会按照设置重复采样
  • 强休眠模式
    • SD = H 时,芯片进入强休眠模式,这是最低功耗状态
    • SD = H->L时,芯片退出强休眠模式,进入休眠模式,并将所有寄存器恢复默认值
    • 允许在此模式修改ADDR引脚
  • 复位 
    • RESET_DEV.RESET_DEV = b1 时设备复位,转换立即停止,所有寄存器恢复默认,这个寄存器比特位永远只会读到0
  • 编程
    • 芯片通过I2C接口访问和控制寄存器,推荐的配置过程是进入休眠模式,设置合适的寄存器值,再进入工作模式
    • 转换结果寄存器必须在工作模式读取

寄存器地址

ADDRESS

NAME

DEFAULT VALUE

DESCRIPTION 

0x00

DATA0

0x0000

Channel 0 Conversion Result and Error Status

0x02

DATA1 

0x0000

Channel 1 Conversion Result and Error Status

0x04

DATA2

0x0000

Channel 2 Conversion Result and Error Status (LDC1314 only)

0x06

DATA3 

0x0000

Channel 3 Conversion Result and Error Status (LDC1314 only)

0x08

RCOUNT0

0x0080

Reference Count setting for Channel 0

0x09

RCOUNT1

0x0080

Reference Count setting for Channel 1

0x0A

RCOUNT2

0x0080

Reference Count setting for Channel 2. (LDC1314 only)

0x0B

RCOUNT3

0x0080

Reference Count setting for Channel 3.(LDC1314 only)

0x0C

OFFSET0 

0x0000

Offset value for Channel 0

0x0D

OFFSET1 

0x0000

Offset value for Channel 1

0x0E

OFFSET2 

0x0000

Offset value for Channel 2 (LDC1314 only)

0x0F

OFFSET3 

0x0000

Offset value for Channel 3 (LDC1314 only)

0x10

SETTLECOUNT0 

0x0000

Channel 0 Settling Reference Count

0x11

SETTLECOUNT1

0x0000r_

Channel 1 Settling Reference Count

0x12

SETTLECOUNT2

0x0000

Channel 2 Settling Reference Count (LDC1314 only)

0x13

SETTLECOUNT3 

0x0000

Channel 3 Settling Reference Count (LDC1314 only)

0x14

CLOCK_DIVIDERS0

0x0000

Reference and Sensor Divider settings for Channel 0

0x15

CLOCK_DIVIDERS1

0x0000

Reference and Sensor Divider settings for Channel 1

0x16

CLOCK_DIVIDERS2

0x0000

Reference and Sensor Divider settings for Channel 2 (LDC1314 only)

0x17

CLOCK_DIVIDERS3

0x0000

Reference and Sensor Divider settings for Channel 3 (LDC1314 only)

0x18

STATUS 

0x0000

Device Status Report

0x19

ERROR_CONFIG

0x0000

Error Reporting Configuration

0x1A

CONFIG

0x2801

Conversion Configuration

0x1B

MUX_CONFIG 

0x020F

Channel Multiplexing Configuration

0x1C

RESET_DEV

0x0000

Reset Device

0x1E

DRIVE_CURRENT0 

0x0000

Channel 0 sensor current drive configuration

0x1F

DRIVE_CURRENT1 

0x0000

Channel 1 sensor current drive configuration

0x20

DRIVE_CURRENT2 

0x0000

Channel 2 sensor current drive configuration (LDC1314 only)

0x21

DRIVE_CURRENT3 

0x0000

Channel 3 sensor current drive configuration (LDC1314 only)

0x7E

MANUFACTURER_ID 

0x5449

Manufacturer ID

0x7F

DEVICE_ID

0x3054

Device ID

应用与实施

时变电磁场中的导体

        交变电流流过感应器(及线圈,之后都称之为线圈)将产生一个交变磁场,如果一个导体材料,例如一块金属物体,被放入线圈附近,磁场会在金属物体表面引发涡流(环形电流)。

        涡流的大小是导体距离、尺寸和材料成分的函数。涡流会产生自己的磁场,与传感器线圈形成的原磁场相反,这种效果相当于一组变压器(耦合电感器),其中传感器线圈是初级绕组,物体上的涡流形成次级绕组。电感器之间的耦合是线圈感值,以及金属物体的电阻率、距离、大小和形状的函数。

二次绕组的阻抗可建模为与距离相关的模型并等效到一次侧(线圈)上

电感式传感器的测量电路组成_电感式传感器的分类

振荡器可以看做一个频率选择电路和一个闭环增益模块的组合,只要满足:(1)增益>1;(2)闭环相移为2π

谐振频率

电感式传感器的测量电路组成_电感式传感器的分类

 

其中

电感式传感器的测量电路组成_电感式传感器的分类

Rp是工作频率下LC谐振器的交流并联电阻。

传感器激活过程

  • 芯片提供两种选择,减少等幅震荡建立时间或减少电流以降低功耗
  • SENSOR_ACTIVATE_SEL =b0 使用最大电流激发振荡,在已经配置最大电流时(IDRIVEx = b11111)没有变化
  • 电感式传感器的测量电路组成_电感式传感器的分类

 

 

 

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