简介

特性

应用

概述

工作模式

传感元件测量理论(三信号技术 传感器的测量 分辨率和精度 线性度 UTI的容性测量)

简介

通用传感器接口UTI03是荷兰Smartec联合荷兰代尔夫特理工大学实验室研制成功的。它是针对电阻式、微电容式、电阻桥式传感器而开发的接口芯片。它诞生的原因是：Smartec公司意识到这么多年来，有经验的工程师对模拟输出传感器，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传感器直接连上单片机的媒介。

特性

为下列传感器提供接口：电容式传感器，铂电阻，热敏电阻，电阻桥传感器和电位计

可以同时测量多个传感器

单路供电2.9~5.5V，电流消耗低于2.5mA◆ 分辨率和线性度可达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

几乎全部采用2/3/4线制测量方式

传感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）

应用

自动化，医疗和工业等方面的应用

精确温度测量（Pt，NTC）

阻桥式的压力传感器等

角度，位置感测

容性传感器的参数测量

电位计

概述

UTI是基于一个周期调制的振荡器并用于低频测量的模拟前端。传感元件可直连在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的输出是周期调制信号，可与微处理器（MCU）兼容。UTI为下列元件提供接口：

容性传感器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对于基于智能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块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置。

引脚　引脚功能

VDD，Vss　供电

A~F　传感器接口

SEL..SEL4　设置模式

OUT　输出

SF　快/慢模式设置

CML　CMUX02/CMUX12模式设置

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，通过设置PD来选择其中一个UTI的输出信号传输至总线上。

在模式CMUX下，CML引脚用于选择容值范围。当CML=1时，范围为0~12pF；当CML=0时，范围为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

传感元件测量理论

三信号技术

三信号技术是一种在线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，除了测量传感器的信号之外，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系如下：

Mi=kEi+Moff

我们给系统设置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代表这未知传感器信号与已知传感器信号之比，这种技术叫做三变量技术，或者三信号技术。尽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，它能数字化UTI的输出信号，并对数据进行存储和运算。这样一个综合传感器、信号处理电路（例如UTI)、MCU的功能模块叫做基于微处理器的智能传感系统。自校正的特性说明UTI性能不受温度影响。

传感器的测量

UTI输出是一周期调制信号，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传感器的输出。上图描述的情况里只有一个未知传感器需被测量。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，最后一相未知传感器元件被测量了。各相持续的时间是与各相的被测信号呈比例关系，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是须被测量的传感器的参数，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，可能分别是阻性传感与参考电阻两端的电压，也可能分别是阻桥传感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的时钟信号而数字化，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。

上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能够识别各相并做出正确的计算。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。

分辨率和精度

UTI输出由MCU数字化。但数字化过程引入了量化干扰，它会限制UTI的分辨率。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分辨率为15.5BIT，而快模式下为12.5BIT。

为进一步改善分辨率可取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采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。采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。

从上诉的"非线性度与寄生电容的关系图"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。