CS8190：精密空心轴转速/速度计驱动器的技术剖析与应用

在电子工程师的日常工作里，选择一款合适的转速/速度计驱动器是设计中至关重要的一环。今天我们就来详细探讨 ON Semiconductor 推出的 CS8190，这是一款专为空心轴仪表机芯设计的精密驱动器。

文件下载：CS8190EDWF20.pdf

一、CS8190概述

CS8190 专门用于空心轴仪表机芯，能为模拟转速计或速度计提供所需的全部功能。它接收速度传感器输入，生成与正弦和余弦相关的输出信号，以差分方式驱动空心轴仪表。与行业标准的转速计驱动器（如 CS289 或 LM1819）相比，有诸多显著增强之处。

（1）特性亮点

• 直接传感器输入：可直接连接传感器，简化了系统设计。
• 高输出扭矩：确保仪表指针能快速准确地响应，减少滞后现象。
• 低指针抖动：提供稳定的显示效果，让读数更精确。
• 高输入阻抗：对输入信号的影响小，能更好地获取原始信号。
• 过压保护：能承受 60V 瞬态电压，降低了对额外保护电路的需求。
• 归零功能：当无输入信号或电源异常时，指针能自动回到零位。
• 环保设计：无铅、无卤素/BFR，符合 RoHS 标准，满足环保要求。

（2）封装形式

提供 PDIP - 16 和 SO - 20W 两种封装：

• PDIP - 16（CS8190ENF16G）：通孔式封装，便于手工焊接和调试，适合一些对散热和安装空间要求不高的场合。
• SO - 20W（CS8190EDWF20G、CS8190EDWFR20G）：贴片式封装，体积小，适用于高密度电路板设计。

二、关键电气特性

在不同的工作条件下，CS8190 展现出了稳定且精确的电气性能。以下详细介绍各部分的特性：

（1）电源电压部分

• 供电电流（ICC）：在 VCC = 16V、−40°C 且无负载时，典型值为 50mA，最大值为 125mA。这表明在不同温度和负载情况下，电源电流会有所变化，设计时需考虑电源的供电能力。
• 正常工作范围（VCC）：为 8.5 - 16V，这为电源设计提供了一定的灵活性，但实际应用中最好将电压稳定在典型值附近，以保证芯片性能稳定。

（2）输入比较器部分

• 正输入阈值：典型值为 2.0V，范围在 1.0 - 3.0V 之间。这决定了输入信号达到何种电压时比较器会发生状态翻转。
• 输入滞回：典型值 500mV，有效防止因输入信号的微小波动而导致比较器误动作。
• 输入偏置电流：在 0V ≤ VIN ≤ 8.0V 范围内，典型值为 - 80μA，可减少对输入信号源的影响。
• 输入频率范围：为 0 - 20kHz，能满足大多数转速和速度测量的需求。

（3）电压调节器部分

• 输出电压：典型值为 7.0V，范围在 6.25 - 7.50V 之间，为芯片内部其他电路提供稳定的电源。
• 输出负载电流：可达 10mA，能为一定负载的电路供电。
• 输出负载调节和线路调节：分别在 0 - 10mA 负载变化和 8.5V ≤ VCC ≤ 16V 电源电压变化时，保证输出电压的稳定，最大变化分别为 50mV 和 150mV。
• 电源抑制比：在 VCC = 13.1V、1.0VP/P、1.0kHz 条件下典型值为 46dB，有效抑制电源纹波对芯片的影响。

（4）电荷泵部分

• 输入电压和偏置电流：反相输入电压典型值为 2.0V，输入偏置电流典型值为 150nA，确保电荷泵的正常工作。
• 线性度：在不同频率下，线性度误差在 - 0.10% - + 0.70% 之间，保证了频率到电压转换的准确性。
• 增益：F/VOUT 增益在 350Hz、CCP = 0.0033μF、RT = 243kΩ 时典型值为 10mV/Hz，可用于调整输出电压与输入频率的关系。

（5）函数发生器部分

• 归零阈值：在 TA = 25°C 时，典型值为 6.0V，确保指针能准确回到零位。
• 差分驱动电压：在不同相位（0°、90°、180°、270°）和 8.5V ≤ VCC ≤ 16V 电压范围内，差分驱动电压的典型值在 5.5 - 7.5V 之间，为仪表线圈提供合适的驱动电压。
• 差分驱动电流：在 8.5V ≤ VCC ≤ 16V 时典型值为 42mA，保证仪表指针有足够的驱动力。
• 零赫兹输出角度：典型值为 0°，最大偏差在 ±1.5° 以内，确保零转速时指针位置准确。
• 函数发生器误差：在不同温度（−40°C - 105°C）和电源电压（9.0V - 16V）条件下，误差范围在 - 5.5° - + 5.5° 之间，影响着仪表显示的准确性，设计时需考虑如何进行补偿。

三、典型性能曲线分析

文档中给出了多个典型性能曲线，这些曲线能帮助我们更直观地了解 CS8190 的性能。

（1）函数发生器输出电压与偏转角关系

从 “Function Generator Output Voltage vs. Degrees of Deflection” 曲线可知，函数发生器的输出电压随偏转角呈周期性变化，准确描述了正弦和余弦输出电压与仪表指针偏转角的对应关系，有助于我们理解仪表的工作原理。

（2）电荷泵输出电压与输出角度关系

“Charge Pump Output Voltage vs. Output Angle” 曲线显示，电荷泵输出电压与输出角度存在一定的函数关系，为我们设计频率到电压转换电路提供了重要参考。

（3）输出角度的极坐标表示

“Output Angle in Polar Form” 曲线以极坐标的方式直观地展示了输出角度的变化情况，方便我们分析仪表在不同工作状态下的角度输出。

（4）标称输出偏差

“Nominal Output Deviation” 曲线给出了实际输出角度与理论角度的偏差，设计时可根据此曲线对系统进行校准，提高精度。

（5）标称角度与理想角度关系

“Nominal Angle vs. Ideal Angle (After Calibrating at 180)” 曲线以及相关表格数据，对比了标称角度和理想角度的差异，有助于我们评估系统的准确性和进行误差补偿。

四、电路原理与应用

（1）电路原理

CS8190 内部包含输入比较器、电荷泵、带隙电压调节器和函数发生器等模块。输入信号通过高阻抗比较器进行处理，其输出经外部电容耦合到电荷泵输入。电荷泵将输入信号的频率转换为电压，该电压通过函数发生器生成正弦和余弦输出电压，以差分方式驱动仪表线圈，实现指针的偏转。

（2）应用注意事项

• F/V 输出纹波：纹波电压会导致指针抖动，尤其是在低输入频率时。可通过增加 C4 的值来减少纹波，但会增加响应时间，需在两者之间进行平衡。
• 欠压检测：当 VCC 低于 8.0V（典型值）时，输入比较器被禁用；低于 6.0V（典型值）时，函数发生器使指针回到 0° 位置。连接一个大电容（> 2000μF）到 VCC 引线可确保指针可靠归零。
• 元件选择：
  • (C{CP}) 和 (R{T}) 的乘积直接影响频率到电压的转换函数和温度补偿，需根据具体应用选择合适的值。(C{CP}) 范围为 20pF - 0.2μF，(R{T}) 范围为 100kΩ - 500kΩ。
  • R3 需确保电压调节器的输出电流不超过 10mA，同时要保证 (C_{CP}) 在每个输入信号周期内能够充分充电和放电。
  • C4 的选择要兼顾最大允许纹波电压和仪表响应时间。

（3）应用电路示例

文档给出了速度计或转速计应用、带有里程表的速度计应用等电路示例。在不同的应用中，只需根据实际需求对元件参数进行调整。例如，在需要实现归零功能时，必须连接 (C2 (> 2000 mu F))；在与 CS8441 配合使用时，(C2) 取值为 10μF。同时，要注意对芯片进行瞬态电压和反向电池保护，对 FREQIN 引脚进行额外滤波，以及缩短仪表线圈与芯片的连接距离以提高指针稳定性。

五、结语

CS8190 凭借其丰富的功能、出色的性能和环保设计，在转速和速度测量领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计相关系统时，可根据具体需求合理选择封装形式、调整元件参数，并充分利用其各项特性，以实现高精度、高稳定性的转速/速度计设计。你在使用 CS8190 或类似芯片的过程中有哪些独特的经验或遇到过什么问题呢？欢迎在评论区分享交流。