PGA300信號調理器與變送器深度解析

在電子工程師的日常工作中，壓力和溫度測量是極為常見的應用場景。TI公司推出的PGA300信號調理器和變送器，以其高精度、低漂移、低噪聲等特性，在這些應用領域中備受關注。接下來，我們就對PGA300進行詳細的剖析。

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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計的模擬前端，能夠適應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。這使得工程師在設計不同靈敏度要求的傳感器系統(tǒng)時，具有很強的靈活性。
2. 溫度傳感器：內置溫度傳感器，其電壓輸出經(jīng)過T ADC數(shù)字化后，可用于軟件實現(xiàn)溫度補償算法，為系統(tǒng)提供更精確的測量結果。
3. 可編程增益：具備可編程增益功能，壓力測量信號鏈中的P Gain可通過P_GAIN[4:0]進行32級調節(jié)，范圍從5 V/V到400 V/V；溫度測量信號鏈中的T Gain可通過T_GAIN[1:0]進行4級調節(jié)，范圍從1.33 V/V到20 V/V。工程師可以根據(jù)實際應用需求，靈活調整增益，以適應不同信號強度的測量。
4. ADC轉換：采用16位Σ - Δ模擬 - 數(shù)字轉換器，分別用于信號通道和溫度通道，確保了高精度的信號轉換，為后續(xù)的數(shù)字處理提供了準確的數(shù)據(jù)基礎。
5. 輸出DAC：配備14位輸出DAC，能夠提供絕對電壓、比例電壓和4mA - 20mA電流回路三種工業(yè)標準輸出，滿足不同應用場景的信號輸出需求。

（二）數(shù)字特性

1. 高精度：在整個溫度范圍內，具有小于0.1% FSO的高精度，通過三階溫度和非線性補償算法，進一步提高了測量的準確性和穩(wěn)定性。這對于對測量精度要求較高的工業(yè)應用來說，是非常重要的特性。
2. 系統(tǒng)響應快：系統(tǒng)響應時間小于220μs，能夠快速響應傳感器信號的變化，適用于對實時性要求較高的應用場景。
3. 診斷功能：具備完善的診斷功能，可監(jiān)測執(zhí)行時序錯誤、內部邏輯校驗和錯誤、EEPROM損壞以及電源和信號鏈錯誤等多種故障。當檢測到故障時，會根據(jù)不同的故障類型采取相應的措施，如禁用DAC、將DAC代碼驅動為0等，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（三）外設特性

1. 單線接口：獨特的單線接口（OWI），通過電源引腳實現(xiàn)通信和配置，減少了系統(tǒng)所需的線路數(shù)量，簡化了系統(tǒng)布線，降低了設計復雜度。
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)不同的應用場景進行配置。
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電路，增強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，適應不同的工業(yè)應用場景。

二、應用場景

1. 壓力變送器：可用于各種壓力傳感器的信號調理和變送，將壓力傳感器的微弱信號轉換為標準的工業(yè)信號輸出，廣泛應用于工業(yè)自動化、石油化工等領域。
2. 溫度變送器：結合內置或外置溫度傳感器，實現(xiàn)溫度信號的精確測量和變送，可應用于暖通空調、食品加工等行業(yè)。
3. 流量變送器：在流量測量系統(tǒng)中，對流量傳感器的信號進行處理和轉換，為流量控制提供準確的信號。
4. 液位變送器：用于液位測量系統(tǒng)，將液位傳感器的信號轉換為標準信號輸出，實現(xiàn)對液位的精確監(jiān)測。

三、芯片詳細結構與功能

（一）功能模塊

1. 反向電壓保護電路：保護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。在實際應用中，電源接反是一種常見的錯誤，如果沒有反向電壓保護電路，可能會導致芯片損壞。
2. 線性穩(wěn)壓器：有AVDD和DVDD兩個主要的線性穩(wěn)壓器，分別為內部模擬電路和數(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，同時需要在相應引腳連接100nF的旁路電容，以確保電壓的穩(wěn)定性。
3. 內部參考源：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]進行編程，范圍從25μA到500μA，也可設置為關閉狀態(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. 內部溫度傳感器：其電壓輸出與芯片結溫成正比，通過T ADC數(shù)字化后，可用于溫度補償算法，提高系統(tǒng)的測量精度。
7. 壓力測量信號鏈
   • P Gain級：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]進行調節(jié)。P Gain值的設置應根據(jù)整個工作溫度范圍內橋輸出電壓的最大值來確定，以確保能夠準確放大傳感器信號。
   • P ADC：使用1MHz、二階、3位量化的Σ - Δ調制器和抽取濾波器，將P Gain放大器的輸出電壓數(shù)字化，輸出為16位有符號值，輸出速率為7.8125 ksamples每秒。
8. 溫度測量信號鏈
   • T Gain級：由低閃爍噪聲、低失調的斬波穩(wěn)定放大器構成，增益可通過T_GAIN[1:0]進行配置。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位有符號值，內部輸出速率為128μs。
9. DAC輸出：14位數(shù)字 - 模擬轉換器，可輸出絕對電壓或與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輸出模式，同時在DAC輸出端集成了40kΩ的濾波電阻，與外部電容配合可實現(xiàn)RC低通濾波。
10. DAC增益級：可配置為電壓放大模式或電流放大模式，用于4 - 20mA應用。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]進行設置；在電流輸出模式下，增益固定。同時，DAC增益放大器提供COMP引腳，用于在驅動大負載電容時進行補償。
11. 數(shù)字補償和濾波器
    • 數(shù)字增益和偏移補償：對壓力和溫度信號鏈分別進行數(shù)字增益和偏移補償，通過設置PADC_GAIN、PADC_OFFSET、TADC_GAIN和TADC_OFFSET等寄存器的值，可對傳感器的偏移和增益進行調整，提高測量的準確性。
    • 溫度和非線性補償：采用三階溫度和非線性補償算法，對橋偏移、橋跨度和橋非線性進行補償。補償方程包含16個系數(shù)，需要至少16個不同的測量點來計算這些系數(shù)。在實際應用中，如果測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、批量建模或降低補償階數(shù)等方法來解決。
    • 鉗位：對數(shù)字補償?shù)妮敵鲞M行鉗位，可通過EEPROM中的LOW_CLAMP和HIGH_CLAMP寄存器設置高低鉗位值，同時可配置正常工作輸出范圍。當輸出值超出正常范圍時，會將其驅動到鉗位值，確保輸出信號的穩(wěn)定性。
    • 數(shù)字IIR濾波器：用于對數(shù)字補償后的輸出進行濾波，采用二階IIR濾波器，濾波器系數(shù)存儲在EEPROM中。工程師可以根據(jù)實際需求選擇不同的濾波器截止頻率，通過設置相應的濾波器系數(shù)來實現(xiàn)。
12. 診斷功能
    • 電源診斷：監(jiān)測AVDD、DVDD、橋電源、內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。
    • 信號鏈診斷：
      • 輸入診斷：監(jiān)測傳感器的連接故障，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，以及使用內部下拉電阻和上拉電阻來實現(xiàn)監(jiān)測。
      • 輸出診斷：驗證每個增益級的輸出信號是否在一定范圍內，確保信號鏈中的增益級正常工作。
      • 屏蔽功能：可通過AFEDIAG_MASK寄存器選擇性地啟用或禁用信號鏈診斷功能，方便工程師根據(jù)實際需求進行配置。

（二）工作模式

1. 執(zhí)行模式：在執(zhí)行模式下，T ADC和P ADC進行轉換，DAC啟用，DAC增益級驅動OUT引腳的電壓或電流。ADC轉換結果經(jīng)過數(shù)字補償和濾波后輸出到DAC，此時設備控制和狀態(tài)寄存器以及EEPROM不能進行編程。
2. 配置模式：用于讀寫設備控制和狀態(tài)寄存器以及EEPROM。進入配置模式需要發(fā)送OWI激活脈沖序列，并將MODE_CTRL寄存器中的MODE_SEL[1:0]設置為0b11。退出配置模式時，將MODE_SEL[1:0]設置為0b00。

（三）輸出模式

1. 電壓輸出模式：將FB–引腳連接到OUT引腳，當OUT引腳驅動大負載電容時，可在COMP引腳連接補償電容，并在OUT和FB–引腳之間放置隔離電阻。通過設置OP_STAGE_CTRL寄存器和DAC_CONFIG寄存器的相應位來配置電壓輸出模式，包括禁用電流輸出模式、選擇增益設置和輸出方法等。
2. 4 - 20mA電流輸出模式：OUT引腳驅動雙極結型晶體管（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。通過設置OP_STAGE_CTRL和DAC_CONFIG寄存器的相應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 - 目標通信鏈路，PGA300作為目標設備。控制器通過調制PWR引腳的電壓與PGA300進行通信，PGA300通過調制PWR引腳的電流進行響應。OWI通信通過在PWR引腳生成激活脈沖序列來啟動。
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]設置為0b00。
3. 協(xié)議
   • 幀結構：數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位在單線接口上傳輸，每個傳輸幀由同步字段、命令字段和零到八個數(shù)據(jù)字段組成。同步字段用于目標設備計算控制器傳輸?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、OWI突發(fā)寫入EEPROM緩存和OWI突發(fā)讀取EEPROM緩存等五種命令。每個命令都有特定的幀結構和功能，用于實現(xiàn)對寄存器和EEPROM的讀寫操作。

（二）存儲器

1. EEPROM存儲器：PGA300集成了128字節(jié)的EEPROM，用于存儲校準系數(shù)和配置設置。EEPROM的編程需要先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼EPROM緩存，然后再將緩存內容寫入EEPROM存儲單元。EEPROM的讀取可以直接進行，整個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)臨時存儲區(qū)，在編程過程中用于存儲要寫入EEPROM的內容。可以通過OWI EEPROM緩存突發(fā)寫命令或八個單獨的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，通過設置EEPROM_PAGE_ADDRESS寄存器的ADDR[3:0]位來實現(xiàn)。
   • 加載8字節(jié)的EEPROM緩存，可以使用OWI EEPROM緩存突發(fā)寫命令或八個單獨的OWI寫操作。
   • 可選地，通過讀取EEPROM緩存來驗證寫入是否正確。
   • 設置EEPROM_CTRL寄存器中的ERASE_AND_PROGRAM位，自動擦除所選EEPROM頁并將緩存內容編程到該頁。也可以分別設置ERASE和PROGRAM位來完成擦除和編程操作。
   • EEPROM編程過程中，PWR引腳會有額外的6mA電流。

（三）控制和狀態(tài)寄存器

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

五、應用與實現(xiàn)

（一）應用信息

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

（二）典型應用

1. 4 - 20mA電流輸出
   • 設計要求：使用內部電流檢測電阻配置和編程PGA300，以實現(xiàn)4 - 20mA電流輸出。
   • 詳細設計步驟
     • 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+引腳和控制器負端之間放置10Ω電阻。
     • 編程和EEPROM設置：發(fā)送OWI激活脈沖序列，切換到配置模式，設置OP_STAGE_CTRL寄存器選擇電流輸出模式，設置DAC_CONFIG寄存器選擇絕對輸出模式，最后切換回執(zhí)行模式。
2. 0 - 10V絕對電壓輸出
   • 設計要求：配置和編程PGA300，以實現(xiàn)0 - 10V絕對電壓輸出。
   • 詳細設計步驟
     • 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OUT引腳驅動大負載電容時，使用COMP引腳和隔離電阻進行補償。
     • 編程和EEPROM設置：發(fā)送OWI激活脈沖序列，切換到配置模式，設置OP_STAGE_CTRL寄存器選擇電壓輸出模式和DAC增益，設置DAC_CONFIG寄存器選擇絕對輸出模式，最后切換回執(zhí)行模式。
3. 0 - 5V比例電壓輸出
   • 設計要求：配置和編程PGA300，以實現(xiàn)0 - 5V比例電壓輸出。
   • 詳細設計步驟
     • 外部組件：與0 - 10V絕對電壓輸出的外部組件要求相同。
     • 編程和EEPROM設置：發(fā)送OWI激活脈沖序列，切換到配置模式，設置OP_STAGE_CTRL寄存器選擇電壓輸出模式和DAC增益，設置DAC_CONFIG寄存器選擇比例輸出模式，最后切換回執(zhí)行模式。

（三）電源供應建議

PGA300僅有一個電源輸入引腳（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，應在PWR引腳附近放置100nF的去耦電容。

（四）布局設計

1. 布局指南：設計測試板時，應采用標準的布局實踐，根據(jù)板的層數(shù)插入一個或多個GND平面作為內層。由于PGA300所需的外部組件較少，簡單的兩層板即可滿足設計要求。同時，PWR、AVDD、DVDD和REFCAP引腳附近的電容應盡可能靠近引腳放置，F(xiàn)B–、FB+、COMP和OUT的信號走線應避免交叉，以減少耦合。在使用內部溫度傳感器時，應考慮熱效應，將PGA300靠近壓力傳感元件放置，在4 - 20mA輸出模式下，應將BJT遠離PGA300和壓力傳感元件，以減少發(fā)熱對測量的影響。
2. 布局示例：以六層插座式評估板（EVM）為例，使用了兩個主要的GND平面（第2層和第5層），為每個信號層和電源平面提供附近的GND平面。GND平面根據(jù)應用需要進行分離，同時通過跳線可以連接或斷開不同的GND平面。信號走線在同一層進行路由，避免交叉，以減少耦合。

綜上所述，PGA300是一款功能強大、性能優(yōu)異的信號調理器和變送器，具有高精度、高可靠性、多種輸出模式和靈活的配置選項等優(yōu)點。電子工程師在設計壓力和溫度測量系統(tǒng)時，可以根據(jù)實際應用需求，充分利用PGA300的特性，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化