PGA300信号调理器与变送器深度解析

在电子工程师的日常工作中，压力和温度测量是极为常见的应用场景。TI公司推出的PGA300信号调理器和变送器，以其高精度、低漂移、低噪声等特性，在这些应用领域中备受关注。接下来，我们就对PGA300进行详细的剖析。

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一、芯片特性

（一）模拟特性

1. 模拟前端：专门为电阻桥传感器设计的模拟前端，能够适应1mV/V到135mV/V的传感器灵敏度范围，可连接多种类型的传感器，如压阻式、陶瓷薄膜和钢膜等。这使得工程师在设计不同灵敏度要求的传感器系统时，具有很强的灵活性。
2. 温度传感器：内置温度传感器，其电压输出经过T ADC数字化后，可用于软件实现温度补偿算法，为系统提供更精确的测量结果。
3. 可编程增益：具备可编程增益功能，压力测量信号链中的P Gain可通过P_GAIN[4:0]进行32级调节，范围从5 V/V到400 V/V；温度测量信号链中的T Gain可通过T_GAIN[1:0]进行4级调节，范围从1.33 V/V到20 V/V。工程师可以根据实际应用需求，灵活调整增益，以适应不同信号强度的测量。
4. ADC转换：采用16位Σ - Δ模拟 - 数字转换器，分别用于信号通道和温度通道，确保了高精度的信号转换，为后续的数字处理提供了准确的数据基础。
5. 输出DAC：配备14位输出DAC，能够提供绝对电压、比例电压和4mA - 20mA电流回路三种工业标准输出，满足不同应用场景的信号输出需求。

（二）数字特性

1. 高精度：在整个温度范围内，具有小于0.1% FSO的高精度，通过三阶温度和非线性补偿算法，进一步提高了测量的准确性和稳定性。这对于对测量精度要求较高的工业应用来说，是非常重要的特性。
2. 系统响应快：系统响应时间小于220µs，能够快速响应传感器信号的变化，适用于对实时性要求较高的应用场景。
3. 诊断功能：具备完善的诊断功能，可监测执行时序错误、内部逻辑校验和错误、EEPROM损坏以及电源和信号链错误等多种故障。当检测到故障时，会根据不同的故障类型采取相应的措施，如禁用DAC、将DAC代码驱动为0等，提高了系统的可靠性和稳定性。

（三）外设特性

1. 单线接口：独特的单线接口（OWI），通过电源引脚实现通信和配置，减少了系统所需的线路数量，简化了系统布线，降低了设计复杂度。
2. 多种输出选择：支持4mA - 20mA电流回路输出、比例电压输出和绝对电压输出，为工程师提供了更多的输出选择，方便根据不同的应用场景进行配置。
3. 宽电源范围：片上电源管理可接受3.3V到30V的宽电源电压范围，并且集成了反向电压保护电路，增强了芯片在不同电源环境下的适用性和可靠性。
4. 宽工作温度范围：工业温度范围为 - 40°C到 +150°C，能够在恶劣的工业环境下正常工作，适应不同的工业应用场景。

二、应用场景

1. 压力变送器：可用于各种压力传感器的信号调理和变送，将压力传感器的微弱信号转换为标准的工业信号输出，广泛应用于工业自动化、石油化工等领域。
2. 温度变送器：结合内置或外置温度传感器，实现温度信号的精确测量和变送，可应用于暖通空调、食品加工等行业。
3. 流量变送器：在流量测量系统中，对流量传感器的信号进行处理和转换，为流量控制提供准确的信号。
4. 液位变送器：用于液位测量系统，将液位传感器的信号转换为标准信号输出，实现对液位的精确监测。

三、芯片详细结构与功能

（一）功能模块

1. 反向电压保护电路：保护芯片免受外部电源反接的影响，提高了芯片的可靠性和稳定性。在实际应用中，电源接反是一种常见的错误，如果没有反向电压保护电路，可能会导致芯片损坏。
2. 线性稳压器：有AVDD和DVDD两个主要的线性稳压器，分别为内部模拟电路和数字电路提供稳定的电压。AVDD稳压器提供3V电压源，DVDD稳压器提供1.8V稳压，同时需要在相应引脚连接100nF的旁路电容，以确保电压的稳定性。
3. 内部参考源：包含高精度参考源和高电压参考源。高精度参考源用于为P ADC、T ADC和DAC生成参考电压，在数字核心启动50µs后生效；高电压参考源用于诊断阈值，虽然精度不高，但能够满足诊断功能的需求。
4. 桥传感器电源：为电阻桥传感器提供电源，输出电压可通过VBRDG_CTRL[1:0]配置为2.5V、2V或1.25V，以适应不同电阻值的桥传感器。桥传感器电源与高精度参考源成比例，确保了电源的稳定性和准确性。
5. ITEMP电源：为外部温度传感器提供可编程电流，电流值可通过ITEMP_CTRL[2:0]进行编程，范围从25µA到500µA，也可设置为关闭状态。电流源与高精度参考源成比例，为外部温度传感器提供稳定的供电。
6. 内部温度传感器：其电压输出与芯片结温成正比，通过T ADC数字化后，可用于温度补偿算法，提高系统的测量精度。
7. 压力测量信号链
   • P Gain级：采用精密、低漂移、低闪烁噪声的斩波稳定放大器，增益可通过P_GAIN[4:0]进行调节。P Gain值的设置应根据整个工作温度范围内桥输出电压的最大值来确定，以确保能够准确放大传感器信号。
   • P ADC：使用1MHz、二阶、3位量化的Σ - Δ调制器和抽取滤波器，将P Gain放大器的输出电压数字化，输出为16位有符号值，输出速率为7.8125 ksamples每秒。
8. 温度测量信号链
   • T Gain级：由低闪烁噪声、低失调的斩波稳定放大器构成，增益可通过T_GAIN[1:0]进行配置。T Gain放大器可配置为单端或差分操作模式，具体取决于温度传感器的类型和连接方式。
   • T ADC：同样采用1MHz、二阶、3位量化的Σ - Δ调制器和抽取滤波器，将T Gain放大器的输出数字化，输出为16位有符号值，内部输出速率为128µs。
9. DAC输出：14位数字 - 模拟转换器，可输出绝对电压或与PWR电源成比例的电压。DAC输出可通过DAC_RATIOMETRIC位配置为比例输出模式或绝对输出模式，同时在DAC输出端集成了40kΩ的滤波电阻，与外部电容配合可实现RC低通滤波。
10. DAC增益级：可配置为电压放大模式或电流放大模式，用于4 - 20mA应用。在电压输出模式下，增益可通过OP_STAGE_CTRL寄存器中的DAC_GAIN[2:0]进行设置；在电流输出模式下，增益固定。同时，DAC增益放大器提供COMP引脚，用于在驱动大负载电容时进行补偿。
11. 数字补偿和滤波器
    • 数字增益和偏移补偿：对压力和温度信号链分别进行数字增益和偏移补偿，通过设置PADC_GAIN、PADC_OFFSET、TADC_GAIN和TADC_OFFSET等寄存器的值，可对传感器的偏移和增益进行调整，提高测量的准确性。
    • 温度和非线性补偿：采用三阶温度和非线性补偿算法，对桥偏移、桥跨度和桥非线性进行补偿。补偿方程包含16个系数，需要至少16个不同的测量点来计算这些系数。在实际应用中，如果测量不同温度和压力下的P ADC和T ADC值成本较高，可以采用模型估计、批量建模或降低补偿阶数等方法来解决。
    • 钳位：对数字补偿的输出进行钳位，可通过EEPROM中的LOW_CLAMP和HIGH_CLAMP寄存器设置高低钳位值，同时可配置正常工作输出范围。当输出值超出正常范围时，会将其驱动到钳位值，确保输出信号的稳定性。
    • 数字IIR滤波器：用于对数字补偿后的输出进行滤波，采用二阶IIR滤波器，滤波器系数存储在EEPROM中。工程师可以根据实际需求选择不同的滤波器截止频率，通过设置相应的滤波器系数来实现。
12. 诊断功能
    • 电源诊断：监测AVDD、DVDD、桥电源、内部振荡器电源和高精度参考输出电压等的过压和欠压情况，确保芯片在正常的电源环境下工作。
    • 信号链诊断：
      • 输入诊断：监测传感器的连接故障，包括桥传感器引脚的开路、短路到地和短路到传感器电源等情况。通过比较INP+和INP–引脚的电压与过压和欠压阈值，以及使用内部下拉电阻和上拉电阻来实现监测。
      • 输出诊断：验证每个增益级的输出信号是否在一定范围内，确保信号链中的增益级正常工作。
      • 屏蔽功能：可通过AFEDIAG_MASK寄存器选择性地启用或禁用信号链诊断功能，方便工程师根据实际需求进行配置。

（二）工作模式

1. 执行模式：在执行模式下，T ADC和P ADC进行转换，DAC启用，DAC增益级驱动OUT引脚的电压或电流。ADC转换结果经过数字补偿和滤波后输出到DAC，此时设备控制和状态寄存器以及EEPROM不能进行编程。
2. 配置模式：用于读写设备控制和状态寄存器以及EEPROM。进入配置模式需要发送OWI激活脉冲序列，并将MODE_CTRL寄存器中的MODE_SEL[1:0]设置为0b11。退出配置模式时，将MODE_SEL[1:0]设置为0b00。

（三）输出模式

1. 电压输出模式：将FB–引脚连接到OUT引脚，当OUT引脚驱动大负载电容时，可在COMP引脚连接补偿电容，并在OUT和FB–引脚之间放置隔离电阻。通过设置OP_STAGE_CTRL寄存器和DAC_CONFIG寄存器的相应位来配置电压输出模式，包括禁用电流输出模式、选择增益设置和输出方法等。
2. 4 - 20mA电流输出模式：OUT引脚驱动双极结型晶体管（BJT）的基极，COMP引脚连接到BJT的发射极，FB+引脚连接到电源的返回端。通过设置OP_STAGE_CTRL和DAC_CONFIG寄存器的相应位来配置电流输出模式，包括启用电流输出模式、禁用电压输出模式和选择绝对输出模式等。

四、编程与寄存器配置

（一）单线接口（OWI）

1. 概述：OWI是一种控制器 - 目标通信链路，PGA300作为目标设备。控制器通过调制PWR引脚的电压与PGA300进行通信，PGA300通过调制PWR引脚的电流进行响应。OWI通信通过在PWR引脚生成激活脉冲序列来启动。
2. 激活和停用：激活OWI通信需要在PWR引脚生成有效的激活脉冲序列；停用OWI通信并重启执行模式，需将MODE_SEL[1:0]设置为0b00。
3. 协议
   • 帧结构：数据以字节为单位在单线接口上传输，每个传输帧由同步字段、命令字段和零到八个数据字段组成。同步字段用于目标设备计算控制器传输的位宽，命令字段决定数据传输的方向和数据字段的数量。
   • 命令：支持OWI写、OWI读初始化、OWI读响应、OWI突发写入EEPROM缓存和OWI突发读取EEPROM缓存等五种命令。每个命令都有特定的帧结构和功能，用于实现对寄存器和EEPROM的读写操作。

（二）存储器

1. EEPROM存储器：PGA300集成了128字节的EEPROM，用于存储校准系数和配置设置。EEPROM的编程需要先将数据传输到EEPROM缓存，然后再将缓存内容写入EEPROM存储单元。EEPROM的读取可以直接进行，整个EEPROM映射到控制和状态寄存器页5的地址空间0x00到0x7F。
2. EEPROM缓存：作为数据临时存储区，在编程过程中用于存储要写入EEPROM的内容。可以通过OWI EEPROM缓存突发写命令或八个单独的OWI写操作将数据加载到EEPROM缓存中。
3. EEPROM编程过程
   • 选择要写入的EEPROM页，通过设置EEPROM_PAGE_ADDRESS寄存器的ADDR[3:0]位来实现。
   • 加载8字节的EEPROM缓存，可以使用OWI EEPROM缓存突发写命令或八个单独的OWI写操作。
   • 可选地，通过读取EEPROM缓存来验证写入是否正确。
   • 设置EEPROM_CTRL寄存器中的ERASE_AND_PROGRAM位，自动擦除所选EEPROM页并将缓存内容编程到该页。也可以分别设置ERASE和PROGRAM位来完成擦除和编程操作。
   • EEPROM编程过程中，PWR引脚会有额外的6mA电流。

（三）控制和状态寄存器

内部逻辑使用控制和状态寄存器与芯片的模拟模块进行交互。在配置模式下，控制和状态寄存器的设置优先于EEPROM寄存器；在执行模式下，EEPROM寄存器的设置生效。

五、应用与实现

（一）应用信息

PGA300可通过不同的输出模式应用于各种压力和温度测量场景。同时，设备支持通过控制器进行线束开路诊断，控制器可以通过在OUT线上安装上拉或下拉电阻来检测PWR或GND线的开路情况。

（二）典型应用

1. 4 - 20mA电流输出
   • 设计要求：使用内部电流检测电阻配置和编程PGA300，以实现4 - 20mA电流输出。
   • 详细设计步骤
     • 外部组件：在PWR、AVDD、DVDD和REFCAP引脚附近分别放置100nF的电容，在REFCAP引脚与地之间放置10nF - 1000nF的电容，在COMP引脚和BJT发射极之间放置150Ω电阻，在FB+引脚和控制器负端之间放置10Ω电阻。
     • 编程和EEPROM设置：发送OWI激活脉冲序列，切换到配置模式，设置OP_STAGE_CTRL寄存器选择电流输出模式，设置DAC_CONFIG寄存器选择绝对输出模式，最后切换回执行模式。
2. 0 - 10V绝对电压输出
   • 设计要求：配置和编程PGA300，以实现0 - 10V绝对电压输出。
   • 详细设计步骤
     • 外部组件：在PWR、AVDD、DVDD和REFCAP引脚附近分别放置100nF的电容，在REFCAP引脚与地之间放置10nF - 1000nF的电容，当OUT引脚驱动大负载电容时，使用COMP引脚和隔离电阻进行补偿。
     • 编程和EEPROM设置：发送OWI激活脉冲序列，切换到配置模式，设置OP_STAGE_CTRL寄存器选择电压输出模式和DAC增益，设置DAC_CONFIG寄存器选择绝对输出模式，最后切换回执行模式。
3. 0 - 5V比例电压输出
   • 设计要求：配置和编程PGA300，以实现0 - 5V比例电压输出。
   • 详细设计步骤
     • 外部组件：与0 - 10V绝对电压输出的外部组件要求相同。
     • 编程和EEPROM设置：发送OWI激活脉冲序列，切换到配置模式，设置OP_STAGE_CTRL寄存器选择电压输出模式和DAC增益，设置DAC_CONFIG寄存器选择比例输出模式，最后切换回执行模式。

（三）电源供应建议

PGA300仅有一个电源输入引脚（PWR），PWR引脚的最大压摆率为0.5 V/µs，为了保证电源的稳定性，应在PWR引脚附近放置100nF的去耦电容。

（四）布局设计

1. 布局指南：设计测试板时，应采用标准的布局实践，根据板的层数插入一个或多个GND平面作为内层。由于PGA300所需的外部组件较少，简单的两层板即可满足设计要求。同时，PWR、AVDD、DVDD和REFCAP引脚附近的电容应尽可能靠近引脚放置，FB–、FB+、COMP和OUT的信号走线应避免交叉，以减少耦合。在使用内部温度传感器时，应考虑热效应，将PGA300靠近压力传感元件放置，在4 - 20mA输出模式下，应将BJT远离PGA300和压力传感元件，以减少发热对测量的影响。
2. 布局示例：以六层插座式评估板（EVM）为例，使用了两个主要的GND平面（第2层和第5层），为每个信号层和电源平面提供附近的GND平面。GND平面根据应用需要进行分离，同时通过跳线可以连接或断开不同的GND平面。信号走线在同一层进行路由，避免交叉，以减少耦合。

综上所述，PGA300是一款功能强大、性能优异的信号调理器和变送器，具有高精度、高可靠性、多种输出模式和灵活的配置选项等优点。电子工程师在设计压力和温度测量系统时，可以根据实际应用需求，充分利用PGA300的特性，实现系统的优化