PGA300信號(hào)調(diào)理器與變送器深度解析

在電子工程師的日常工作中，壓力和溫度測(cè)量是極為常見的應(yīng)用場(chǎng)景。TI公司推出的PGA300信號(hào)調(diào)理器和變送器，以其高精度、低漂移、低噪聲等特性，在這些應(yīng)用領(lǐng)域中備受關(guān)注。接下來，我們就對(duì)PGA300進(jìn)行詳細(xì)的剖析。

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一、芯片特性

（一）模擬特性

1. 模擬前端：專門為電阻橋傳感器設(shè)計(jì)的模擬前端，能夠適應(yīng)1mV/V到135mV/V的傳感器靈敏度范圍，可連接多種類型的傳感器，如壓阻式、陶瓷薄膜和鋼膜等。這使得工程師在設(shè)計(jì)不同靈敏度要求的傳感器系統(tǒng)時(shí)，具有很強(qiáng)的靈活性。
2. 溫度傳感器：內(nèi)置溫度傳感器，其電壓輸出經(jīng)過T ADC數(shù)字化后，可用于軟件實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償算法，為系統(tǒng)提供更精確的測(cè)量結(jié)果。
3. 可編程增益：具備可編程增益功能，壓力測(cè)量信號(hào)鏈中的P Gain可通過P_GAIN[4:0]進(jìn)行32級(jí)調(diào)節(jié)，范圍從5 V/V到400 V/V；溫度測(cè)量信號(hào)鏈中的T Gain可通過T_GAIN[1:0]進(jìn)行4級(jí)調(diào)節(jié)，范圍從1.33 V/V到20 V/V。工程師可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，靈活調(diào)整增益，以適應(yīng)不同信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量。
4. ADC轉(zhuǎn)換：采用16位Σ - Δ模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，分別用于信號(hào)通道和溫度通道，確保了高精度的信號(hào)轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的數(shù)字處理提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
5. 輸出DAC：配備14位輸出DAC，能夠提供絕對(duì)電壓、比例電壓和4mA - 20mA電流回路三種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)輸出，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的信號(hào)輸出需求。

（二）數(shù)字特性

1. 高精度：在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，具有小于0.1% FSO的高精度，通過三階溫度和非線性補(bǔ)償算法，進(jìn)一步提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這對(duì)于對(duì)測(cè)量精度要求較高的工業(yè)應(yīng)用來說，是非常重要的特性。
2. 系統(tǒng)響應(yīng)快：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于220μs，能夠快速響應(yīng)傳感器信號(hào)的變化，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。
3. 診斷功能：具備完善的診斷功能，可監(jiān)測(cè)執(zhí)行時(shí)序錯(cuò)誤、內(nèi)部邏輯校驗(yàn)和錯(cuò)誤、EEPROM損壞以及電源和信號(hào)鏈錯(cuò)誤等多種故障。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，會(huì)根據(jù)不同的故障類型采取相應(yīng)的措施，如禁用DAC、將DAC代碼驅(qū)動(dòng)為0等，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（三）外設(shè)特性

1. 單線接口：獨(dú)特的單線接口（OWI），通過電源引腳實(shí)現(xiàn)通信和配置，減少了系統(tǒng)所需的線路數(shù)量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)布線，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
2. 多種輸出選擇：支持4mA - 20mA電流回路輸出、比例電壓輸出和絕對(duì)電壓輸出，為工程師提供了更多的輸出選擇，方便根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行配置。
3. 寬電源范圍：片上電源管理可接受3.3V到30V的寬電源電壓范圍，并且集成了反向電壓保護(hù)電路，增強(qiáng)了芯片在不同電源環(huán)境下的適用性和可靠性。
4. 寬工作溫度范圍：工業(yè)溫度范圍為 - 40°C到 +150°C，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下正常工作，適應(yīng)不同的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

1. 壓力變送器：可用于各種壓力傳感器的信號(hào)調(diào)理和變送，將壓力傳感器的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)信號(hào)輸出，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、石油化工等領(lǐng)域。
2. 溫度變送器：結(jié)合內(nèi)置或外置溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的精確測(cè)量和變送，可應(yīng)用于暖通空調(diào)、食品加工等行業(yè)。
3. 流量變送器：在流量測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)流量傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，為流量控制提供準(zhǔn)確的信號(hào)。
4. 液位變送器：用于液位測(cè)量系統(tǒng)，將液位傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的精確監(jiān)測(cè)。

三、芯片詳細(xì)結(jié)構(gòu)與功能

（一）功能模塊

1. 反向電壓保護(hù)電路：保護(hù)芯片免受外部電源反接的影響，提高了芯片的可靠性和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，電源接反是一種常見的錯(cuò)誤，如果沒有反向電壓保護(hù)電路，可能會(huì)導(dǎo)致芯片損壞。
2. 線性穩(wěn)壓器：有AVDD和DVDD兩個(gè)主要的線性穩(wěn)壓器，分別為內(nèi)部模擬電路和數(shù)字電路提供穩(wěn)定的電壓。AVDD穩(wěn)壓器提供3V電壓源，DVDD穩(wěn)壓器提供1.8V穩(wěn)壓，同時(shí)需要在相應(yīng)引腳連接100nF的旁路電容，以確保電壓的穩(wěn)定性。
3. 內(nèi)部參考源：包含高精度參考源和高電壓參考源。高精度參考源用于為P ADC、T ADC和DAC生成參考電壓，在數(shù)字核心啟動(dòng)50μs后生效；高電壓參考源用于診斷閾值，雖然精度不高，但能夠滿足診斷功能的需求。
4. 橋傳感器電源：為電阻橋傳感器提供電源，輸出電壓可通過VBRDG_CTRL[1:0]配置為2.5V、2V或1.25V，以適應(yīng)不同電阻值的橋傳感器。橋傳感器電源與高精度參考源成比例，確保了電源的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
5. ITEMP電源：為外部溫度傳感器提供可編程電流，電流值可通過ITEMP_CTRL[2:0]進(jìn)行編程，范圍從25μA到500μA，也可設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)。電流源與高精度參考源成比例，為外部溫度傳感器提供穩(wěn)定的供電。
6. 內(nèi)部溫度傳感器：其電壓輸出與芯片結(jié)溫成正比，通過T ADC數(shù)字化后，可用于溫度補(bǔ)償算法，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。
7. 壓力測(cè)量信號(hào)鏈
   • P Gain級(jí)：采用精密、低漂移、低閃爍噪聲的斬波穩(wěn)定放大器，增益可通過P_GAIN[4:0]進(jìn)行調(diào)節(jié)。P Gain值的設(shè)置應(yīng)根據(jù)整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)橋輸出電壓的最大值來確定，以確保能夠準(zhǔn)確放大傳感器信號(hào)。
   • P ADC：使用1MHz、二階、3位量化的Σ - Δ調(diào)制器和抽取濾波器，將P Gain放大器的輸出電壓數(shù)字化，輸出為16位有符號(hào)值，輸出速率為7.8125 ksamples每秒。
8. 溫度測(cè)量信號(hào)鏈
   • T Gain級(jí)：由低閃爍噪聲、低失調(diào)的斬波穩(wěn)定放大器構(gòu)成，增益可通過T_GAIN[1:0]進(jìn)行配置。T Gain放大器可配置為單端或差分操作模式，具體取決于溫度傳感器的類型和連接方式。
   • T ADC：同樣采用1MHz、二階、3位量化的Σ - Δ調(diào)制器和抽取濾波器，將T Gain放大器的輸出數(shù)字化，輸出為16位有符號(hào)值，內(nèi)部輸出速率為128μs。
9. DAC輸出：14位數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器，可輸出絕對(duì)電壓或與PWR電源成比例的電壓。DAC輸出可通過DAC_RATIOMETRIC位配置為比例輸出模式或絕對(duì)輸出模式，同時(shí)在DAC輸出端集成了40kΩ的濾波電阻，與外部電容配合可實(shí)現(xiàn)RC低通濾波。
10. DAC增益級(jí)：可配置為電壓放大模式或電流放大模式，用于4 - 20mA應(yīng)用。在電壓輸出模式下，增益可通過OP_STAGE_CTRL寄存器中的DAC_GAIN[2:0]進(jìn)行設(shè)置；在電流輸出模式下，增益固定。同時(shí)，DAC增益放大器提供COMP引腳，用于在驅(qū)動(dòng)大負(fù)載電容時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。
11. 數(shù)字補(bǔ)償和濾波器
    • 數(shù)字增益和偏移補(bǔ)償：對(duì)壓力和溫度信號(hào)鏈分別進(jìn)行數(shù)字增益和偏移補(bǔ)償，通過設(shè)置PADC_GAIN、PADC_OFFSET、TADC_GAIN和TADC_OFFSET等寄存器的值，可對(duì)傳感器的偏移和增益進(jìn)行調(diào)整，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。
    • 溫度和非線性補(bǔ)償：采用三階溫度和非線性補(bǔ)償算法，對(duì)橋偏移、橋跨度和橋非線性進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償方程包含16個(gè)系數(shù)，需要至少16個(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)來計(jì)算這些系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果測(cè)量不同溫度和壓力下的P ADC和T ADC值成本較高，可以采用模型估計(jì)、批量建模或降低補(bǔ)償階數(shù)等方法來解決。
    • 鉗位：對(duì)數(shù)字補(bǔ)償?shù)妮敵鲞M(jìn)行鉗位，可通過EEPROM中的LOW_CLAMP和HIGH_CLAMP寄存器設(shè)置高低鉗位值，同時(shí)可配置正常工作輸出范圍。當(dāng)輸出值超出正常范圍時(shí)，會(huì)將其驅(qū)動(dòng)到鉗位值，確保輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。
    • 數(shù)字IIR濾波器：用于對(duì)數(shù)字補(bǔ)償后的輸出進(jìn)行濾波，采用二階IIR濾波器，濾波器系數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中。工程師可以根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的濾波器截止頻率，通過設(shè)置相應(yīng)的濾波器系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
12. 診斷功能
    • 電源診斷：監(jiān)測(cè)AVDD、DVDD、橋電源、內(nèi)部振蕩器電源和高精度參考輸出電壓等的過壓和欠壓情況，確保芯片在正常的電源環(huán)境下工作。
    • 信號(hào)鏈診斷：
      • 輸入診斷：監(jiān)測(cè)傳感器的連接故障，包括橋傳感器引腳的開路、短路到地和短路到傳感器電源等情況。通過比較INP+和INP–引腳的電壓與過壓和欠壓閾值，以及使用內(nèi)部下拉電阻和上拉電阻來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。
      • 輸出診斷：驗(yàn)證每個(gè)增益級(jí)的輸出信號(hào)是否在一定范圍內(nèi)，確保信號(hào)鏈中的增益級(jí)正常工作。
      • 屏蔽功能：可通過AFEDIAG_MASK寄存器選擇性地啟用或禁用信號(hào)鏈診斷功能，方便工程師根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行配置。

（二）工作模式

1. 執(zhí)行模式：在執(zhí)行模式下，T ADC和P ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，DAC啟用，DAC增益級(jí)驅(qū)動(dòng)OUT引腳的電壓或電流。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過數(shù)字補(bǔ)償和濾波后輸出到DAC，此時(shí)設(shè)備控制和狀態(tài)寄存器以及EEPROM不能進(jìn)行編程。
2. 配置模式：用于讀寫設(shè)備控制和狀態(tài)寄存器以及EEPROM。進(jìn)入配置模式需要發(fā)送OWI激活脈沖序列，并將MODE_CTRL寄存器中的MODE_SEL[1:0]設(shè)置為0b11。退出配置模式時(shí)，將MODE_SEL[1:0]設(shè)置為0b00。

（三）輸出模式

1. 電壓輸出模式：將FB–引腳連接到OUT引腳，當(dāng)OUT引腳驅(qū)動(dòng)大負(fù)載電容時(shí)，可在COMP引腳連接補(bǔ)償電容，并在OUT和FB–引腳之間放置隔離電阻。通過設(shè)置OP_STAGE_CTRL寄存器和DAC_CONFIG寄存器的相應(yīng)位來配置電壓輸出模式，包括禁用電流輸出模式、選擇增益設(shè)置和輸出方法等。
2. 4 - 20mA電流輸出模式：OUT引腳驅(qū)動(dòng)雙極結(jié)型晶體管（BJT）的基極，COMP引腳連接到BJT的發(fā)射極，F(xiàn)B+引腳連接到電源的返回端。通過設(shè)置OP_STAGE_CTRL和DAC_CONFIG寄存器的相應(yīng)位來配置電流輸出模式，包括啟用電流輸出模式、禁用電壓輸出模式和選擇絕對(duì)輸出模式等。

四、編程與寄存器配置

（一）單線接口（OWI）

1. 概述：OWI是一種控制器 - 目標(biāo)通信鏈路，PGA300作為目標(biāo)設(shè)備。控制器通過調(diào)制PWR引腳的電壓與PGA300進(jìn)行通信，PGA300通過調(diào)制PWR引腳的電流進(jìn)行響應(yīng)。OWI通信通過在PWR引腳生成激活脈沖序列來啟動(dòng)。
2. 激活和停用：激活OWI通信需要在PWR引腳生成有效的激活脈沖序列；停用OWI通信并重啟執(zhí)行模式，需將MODE_SEL[1:0]設(shè)置為0b00。
3. 協(xié)議
   • 幀結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位在單線接口上傳輸，每個(gè)傳輸幀由同步字段、命令字段和零到八個(gè)數(shù)據(jù)字段組成。同步字段用于目標(biāo)設(shè)備計(jì)算控制器傳輸?shù)奈粚挘钭侄螞Q定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚝蛿?shù)據(jù)字段的數(shù)量。
   • 命令：支持OWI寫、OWI讀初始化、OWI讀響應(yīng)、OWI突發(fā)寫入EEPROM緩存和OWI突發(fā)讀取EEPROM緩存等五種命令。每個(gè)命令都有特定的幀結(jié)構(gòu)和功能，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器和EEPROM的讀寫操作。

（二）存儲(chǔ)器

1. EEPROM存儲(chǔ)器：PGA300集成了128字節(jié)的EEPROM，用于存儲(chǔ)校準(zhǔn)系數(shù)和配置設(shè)置。EEPROM的編程需要先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼EPROM緩存，然后再將緩存內(nèi)容寫入EEPROM存儲(chǔ)單元。EEPROM的讀取可以直接進(jìn)行，整個(gè)EEPROM映射到控制和狀態(tài)寄存器頁5的地址空間0x00到0x7F。
2. EEPROM緩存：作為數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)，在編程過程中用于存儲(chǔ)要寫入EEPROM的內(nèi)容。可以通過OWI EEPROM緩存突發(fā)寫命令或八個(gè)單獨(dú)的OWI寫操作將數(shù)據(jù)加載到EEPROM緩存中。
3. EEPROM編程過程
   • 選擇要寫入的EEPROM頁，通過設(shè)置EEPROM_PAGE_ADDRESS寄存器的ADDR[3:0]位來實(shí)現(xiàn)。
   • 加載8字節(jié)的EEPROM緩存，可以使用OWI EEPROM緩存突發(fā)寫命令或八個(gè)單獨(dú)的OWI寫操作。
   • 可選地，通過讀取EEPROM緩存來驗(yàn)證寫入是否正確。
   • 設(shè)置EEPROM_CTRL寄存器中的ERASE_AND_PROGRAM位，自動(dòng)擦除所選EEPROM頁并將緩存內(nèi)容編程到該頁。也可以分別設(shè)置ERASE和PROGRAM位來完成擦除和編程操作。
   • EEPROM編程過程中，PWR引腳會(huì)有額外的6mA電流。

（三）控制和狀態(tài)寄存器

內(nèi)部邏輯使用控制和狀態(tài)寄存器與芯片的模擬模塊進(jìn)行交互。在配置模式下，控制和狀態(tài)寄存器的設(shè)置優(yōu)先于EEPROM寄存器；在執(zhí)行模式下，EEPROM寄存器的設(shè)置生效。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

PGA300可通過不同的輸出模式應(yīng)用于各種壓力和溫度測(cè)量場(chǎng)景。同時(shí)，設(shè)備支持通過控制器進(jìn)行線束開路診斷，控制器可以通過在OUT線上安裝上拉或下拉電阻來檢測(cè)PWR或GND線的開路情況。

（二）典型應(yīng)用

1. 4 - 20mA電流輸出
   • 設(shè)計(jì)要求：使用內(nèi)部電流檢測(cè)電阻配置和編程PGA300，以實(shí)現(xiàn)4 - 20mA電流輸出。
   • 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟
     • 外部組件：在PWR、AVDD、DVDD和REFCAP引腳附近分別放置100nF的電容，在REFCAP引腳與地之間放置10nF - 1000nF的電容，在COMP引腳和BJT發(fā)射極之間放置150Ω電阻，在FB+引腳和控制器負(fù)端之間放置10Ω電阻。
     • 編程和EEPROM設(shè)置：發(fā)送OWI激活脈沖序列，切換到配置模式，設(shè)置OP_STAGE_CTRL寄存器選擇電流輸出模式，設(shè)置DAC_CONFIG寄存器選擇絕對(duì)輸出模式，最后切換回執(zhí)行模式。
2. 0 - 10V絕對(duì)電壓輸出
   • 設(shè)計(jì)要求：配置和編程PGA300，以實(shí)現(xiàn)0 - 10V絕對(duì)電壓輸出。
   • 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟
     • 外部組件：在PWR、AVDD、DVDD和REFCAP引腳附近分別放置100nF的電容，在REFCAP引腳與地之間放置10nF - 1000nF的電容，當(dāng)OUT引腳驅(qū)動(dòng)大負(fù)載電容時(shí)，使用COMP引腳和隔離電阻進(jìn)行補(bǔ)償。
     • 編程和EEPROM設(shè)置：發(fā)送OWI激活脈沖序列，切換到配置模式，設(shè)置OP_STAGE_CTRL寄存器選擇電壓輸出模式和DAC增益，設(shè)置DAC_CONFIG寄存器選擇絕對(duì)輸出模式，最后切換回執(zhí)行模式。
3. 0 - 5V比例電壓輸出
   • 設(shè)計(jì)要求：配置和編程PGA300，以實(shí)現(xiàn)0 - 5V比例電壓輸出。
   • 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟
     • 外部組件：與0 - 10V絕對(duì)電壓輸出的外部組件要求相同。
     • 編程和EEPROM設(shè)置：發(fā)送OWI激活脈沖序列，切換到配置模式，設(shè)置OP_STAGE_CTRL寄存器選擇電壓輸出模式和DAC增益，設(shè)置DAC_CONFIG寄存器選擇比例輸出模式，最后切換回執(zhí)行模式。

（三）電源供應(yīng)建議

PGA300僅有一個(gè)電源輸入引腳（PWR），PWR引腳的最大壓擺率為0.5 V/μs，為了保證電源的穩(wěn)定性，應(yīng)在PWR引腳附近放置100nF的去耦電容。

（四）布局設(shè)計(jì)

1. 布局指南：設(shè)計(jì)測(cè)試板時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的布局實(shí)踐，根據(jù)板的層數(shù)插入一個(gè)或多個(gè)GND平面作為內(nèi)層。由于PGA300所需的外部組件較少，簡(jiǎn)單的兩層板即可滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，PWR、AVDD、DVDD和REFCAP引腳附近的電容應(yīng)盡可能靠近引腳放置，F(xiàn)B–、FB+、COMP和OUT的信號(hào)走線應(yīng)避免交叉，以減少耦合。在使用內(nèi)部溫度傳感器時(shí)，應(yīng)考慮熱效應(yīng)，將PGA300靠近壓力傳感元件放置，在4 - 20mA輸出模式下，應(yīng)將BJT遠(yuǎn)離PGA300和壓力傳感元件，以減少發(fā)熱對(duì)測(cè)量的影響。
2. 布局示例：以六層插座式評(píng)估板（EVM）為例，使用了兩個(gè)主要的GND平面（第2層和第5層），為每個(gè)信號(hào)層和電源平面提供附近的GND平面。GND平面根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行分離，同時(shí)通過跳線可以連接或斷開不同的GND平面。信號(hào)走線在同一層進(jìn)行路由，避免交叉，以減少耦合。

綜上所述，PGA300是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的信號(hào)調(diào)理器和變送器，具有高精度、高可靠性、多種輸出模式和靈活的配置選項(xiàng)等優(yōu)點(diǎn)。電子工程師在設(shè)計(jì)壓力和溫度測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，充分利用PGA300的特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化