超聲波傳感器芯片的兩種解決方案

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）超聲波傳感想必大家已經(jīng)很熟悉了，這種基于超聲波的傳感方式用途廣泛，在生活中的很多領(lǐng)域都發(fā)揮著作用。超聲波傳感器就是根據(jù)超聲波的一些特性制造出來的，內(nèi)部的換能晶片受到電壓的激勵(lì)而發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，然后完成對(duì)超聲波的發(fā)射和接收。

超聲波傳感器的組成說起來也沒有那么復(fù)雜，發(fā)送器和換能器構(gòu)成發(fā)送部分，放大電路和換能器構(gòu)成接收部分，然后結(jié)合控制部分與電源部分就能完成傳感器大致的功能。在這些組成部分里，超聲波的控制用高檔單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)。在聲波發(fā)生器中單片機(jī)作為整個(gè)電路的主控芯片運(yùn)行，配合D/A轉(zhuǎn)換器和IGBT功率模塊來實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制?？梢钥吹狡胀ǖ膯纹瑱C(jī)已經(jīng)可以基本完成超聲波控制。這只是基本實(shí)現(xiàn)了控制，可能對(duì)于某些高頻電路要求而言，普通單片機(jī)的處理速度還是會(huì)有些慢。

MSP430系列集成式解決方案

普通的MCU既然不能完全滿足需求，那該怎么辦呢？先看看TI的MSP430系列，MSP430系列專門針對(duì)超聲波應(yīng)用做了加強(qiáng)。MSP430系列MCU，特別是其中的MSP430FR604x和MSP430FR504x系列，給超聲波傳感提供了一種低成本的單芯片解決方案。這個(gè)系列具有集成的超聲波傳感模擬前端，易于使用且可靈活用于開發(fā)各種應(yīng)用。其獨(dú)特的波形捕獲技術(shù)與高速ADC可以實(shí)現(xiàn)低功耗的高精度測(cè)量。

以MSP430FR5043為例，該器件專為超聲波水表、熱量計(jì)和燃?xì)獗矶O(shè)計(jì)。在整個(gè)針對(duì)超聲波應(yīng)用的器件里，都集成了超聲波傳感解決方案（USS_A）模塊，可針對(duì)多種流速提供高精度測(cè)量。USS_A高度集成，需要的外部組件極少，因而有助于實(shí)現(xiàn)超低功耗計(jì)量并降低系統(tǒng)成本。

USS_A模塊囊括了可編程脈沖發(fā)生器（PPG）和具有低阻抗輸出驅(qū)動(dòng)器的物理接口（PHY），盡可能做到最佳的傳感器激勵(lì)和準(zhǔn)確的阻抗匹配效果，從而在零流量漂移 （ZFD） 方面達(dá)到最佳。

為了實(shí)現(xiàn)精確的信號(hào)采集，USS_A模塊里還集成了可編程增益放大器（PGA）和高速12位 8Msps Σ-Δ ADC。在水為介質(zhì)的環(huán)境中，該器件的差分飛行時(shí)間精度為±12.5ps，在500：1的寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)精度為±1%。在氣體介質(zhì)中，差分飛行時(shí)間精度為±250ps，同時(shí)可在流速高達(dá)12000升/小時(shí)的條件下實(shí)現(xiàn)±1%的精度，具有200:1的寬動(dòng)態(tài)范圍。

MSP430FR5043器件采用低功耗加速器（LEA），實(shí)現(xiàn)了基于高速ADC的信號(hào)采集以及后續(xù)優(yōu)化數(shù)字信號(hào)處理，為電池供電型計(jì)量提供了一款超低功耗、高精度的計(jì)量解決方案應(yīng)用。這種整體功耗超低MSP系統(tǒng)架構(gòu)，能使整個(gè)超聲波傳感器系統(tǒng)降低能耗的同時(shí)提升性能。

ADI專項(xiàng)分立式解決方案

ADI沒有像TI那樣做針對(duì)超聲波應(yīng)用的整個(gè)控制器功能集成，采用了分立式的解決方案。雖然不是打包成一塊芯片，但是針對(duì)每一項(xiàng)應(yīng)用，每顆器件都可謂功能強(qiáng)大。

（ADI）

從發(fā)射端，ADI就給出了基于AD9106的四通道方案，通過這款四通道，180MSPS的12位任意波形發(fā)生器，精確控制發(fā)射信號(hào)來增強(qiáng)流量計(jì)性能，同時(shí)該配置還可以節(jié)省大量流量計(jì)空間。

在接收前端上，AFE選用了高集成的八通道AD9670，可以大幅提升性能。VGA上則有著AD3388和AD8332兩個(gè)選項(xiàng)。第一個(gè)能提供最高的動(dòng)態(tài)范圍，第二個(gè)可以做到最低的噪聲?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需求酌情選擇。

DAC上則選取了AD5681R這款單通道的12位精密DAC，該DAC集成了基準(zhǔn)電壓，是一個(gè)不錯(cuò)的小尺寸方案。溫度傳感器選取了常見的全集成式數(shù)字溫度傳感器，既簡(jiǎn)單又精確，用于溫度補(bǔ)償再合適不過。

處理器使用了400MHz的ADS9-BF70x，該DSP自帶1MB的SRAM，片內(nèi)還內(nèi)置了加密加速器，是一款支持多種工業(yè)接口的處理器。給出這種方案還有一種考量應(yīng)該是看中了該款DSP 400MHz時(shí)小于100mW的功耗，從傳感器內(nèi)部開始降低功耗并降低流量計(jì)的自熱。

從這些分立的器件搭配上不難看出ADI對(duì)于超聲波應(yīng)用很看重低功耗，同時(shí)對(duì)空間的嚴(yán)格把控也可見一斑。在每一個(gè)器件的選取上不僅考慮到了高精度，還都盡可能在尺寸上做減法。

小結(jié)

不論是全集成式的芯片解決方案還是分立式的方案，都盡可能往低功耗和低成本在做。ADI雖然沒有將這些分立器件整合成SoC，但從方案中盡可能減小尺寸的做法也能看到超聲波傳感芯片小型化的發(fā)展方向。

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編輯：金巧