【LDC1314】电感传感器中文手册与检测原理介绍

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

关键词：LDC1314，电感传感器，金属传感器，中文手册

【声明：本博文参考TI官方手册翻译而成，旨在帮助大家快速了解这款芯片，如翻译有误欢迎评论指出，转载需注明来源！】

以下是我对TI官方手册的人肉翻译，截取了其中的关键部分，有助于大家更好的撸底层驱动和排查硬件问题。

相关博客：【LDC1314】金属传感器（电感传感器）的调试技巧

首先，是引脚位的定义与说明：

供电部分

• 正常情况在+3.3V下工作;
• 典型工作电流 2.1mA;
• 休眠(SLEEP_MODE_EN=b1)模式最大 60uA;
• 强休眠(SD = Vdd)最大 1uA

传感器部分

• 传感器最大电流驱动 1.5mA(HIGH_CURRENT_DRV = 0)
• 传感器电阻Rp = 1~100kΩ
• 高电流驱动模式（仅限通道0）最大电流 6mA(HIGH_CURRENT_DRV = 1 )
• 传感器谐振频率1KHz~10MHz
• 最大振幅1.8V
• 最高精度12bit
• 最大采样率（单通道持续转换，IIC时钟频率@400kHz）为13.3ksps
• 传感器引脚输入电容约为4pF

数字信号引脚部分

• INTB引脚低电平≤0.4V
• INTB引脚高电平≥2.4V

I2C通讯部分（节选）

• 时钟频率10kHz~400kHz

综述

        LDC1314是一种电感-数字转换器（LDC），用于测量多个LC谐振器的谐振频率。该装置输出与频率成比例的数字值，有12位精度，测得的频率可以换算成等效电感值，或者用来测量可导电物体的运动，内部时钟可以减少系统功耗，外接时钟可以改善测量噪声，每个通道的测量转换时都可以设置，长转换时间可以提供更高的测量精度。对器件的配置通过 400 kbit/s 的 I2C总线配置，ADDR可选择I2C地址，唯一必要的外部元件是旁路电容和I2C的上拉电阻。

功能块示意图

• 传感器的谐振频率为ƒSENSOR，芯片的参考时钟频率为ƒREF，测量得到的数字量 = K* (ƒSENSOR/ƒREF),K>0
• SD拉高可使芯片进入强休眠模式以降低功耗
• INTB可以被配置用来通知主机返回芯片的系统状态改变

多通道和单通道

• LDC1314可以配置单通道持续采样或者多通道序列采样
• 当工作在多通道模式下，芯片会持续序列采样被选中的多个通道；
• 当工作在单通道模式下，芯片会连续采样被选中的通道。

可调节的转换时间

• 转换时间长则测量精度高，转换时间可以设置为3.2us~26.2ms（一个16位寄存器）

数字信号增益

• 输出只有12位精度，但是内部信号支持通过增益设置产生16位输出
• 传感器启动与故障配置
• 为了最小化噪声影响，传感器开始测量应该确保在传感器振幅稳定之后，芯片提供每个通道一个可调的的启动时间（1.2us~26.2ms）通过 SETTLECOUNTx 寄存器
• 芯片提供一个内部滤波器，以减弱来自外部噪声源的干扰

参考时钟

• 芯片内部时钟为43MHz,如需高精度测量，请使用外部晶振
• 芯片提供数字分频器给参考时钟和传感器输入，确保频率可以被LDC核接受，每个通道都有一个分频器
• 更高的参考频率提供更高的采样精度和采样率

传感器电流驱动控制

• 传感器线圈工作有损耗，需要芯片的能量注入来维持传感器振幅恒定，芯片通过一个匹配LC振荡器频率的交变电流提供能量
• 必须设置驱动电流大小以确保振幅在1.2V~1.8V
• 每个通道通过 IDRIVEx 寄存器可以独立设置电流大小为16uA~1.6mA
• 芯片也可以自主决定合适的电流等级，甚至动态的调节电流通过 RP_OVERRIDE_EN  功能

传感器状态监视器

• 芯片支持将传感器状态通过I2C接口传出，传出条件：

1. 传感器振幅超范围
2. 传感器未起振
3. 新转换数据就绪
4. 转换出错

设备功能模式

• 启动模式
  • 芯片上电，会进入休眠模式等待配置，一旦设备配置完成（设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN = b0）将退出休眠开始转换
  • 推荐在休眠模式配置参数，配置完毕退出休眠模式
• 休眠模式
  • 通过设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN = b1 进入此模式
  • 在此模式设备配置会保存，但不会开始转换
  • 设置完成后，设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN = b0 进入工作模式，注意，第一次转换在16384÷ƒINT（其实就是16384个转换周期） 后开始
  • 在休眠模式中读写寄存器均能生效，但在进入休眠模式时会清除所有转换结果，错误情况，以及重新配置INTB引脚
• 一般模式
  • 在此模式，芯片会按照设置重复采样
• 强休眠模式
  • SD = H 时，芯片进入强休眠模式，这是最低功耗状态
  • SD = H->L时，芯片退出强休眠模式，进入休眠模式，并将所有寄存器恢复默认值
  • 允许在此模式修改ADDR引脚
• 复位 
  • RESET_DEV.RESET_DEV = b1 时设备复位，转换立即停止，所有寄存器恢复默认，这个寄存器比特位永远只会读到0
• 编程
  • 芯片通过I2C接口访问和控制寄存器，推荐的配置过程是进入休眠模式，设置合适的寄存器值，再进入工作模式
  • 转换结果寄存器必须在工作模式读取

寄存器地址

应用与实施

时变电磁场中的导体

        交变电流流过感应器（及线圈，之后都称之为线圈）将产生一个交变磁场，如果一个导体材料，例如一块金属物体，被放入线圈附近，磁场会在金属物体表面引发涡流（环形电流）。

        涡流的大小是导体距离、尺寸和材料成分的函数。涡流会产生自己的磁场，与传感器线圈形成的原磁场相反，这种效果相当于一组变压器（耦合电感器），其中传感器线圈是初级绕组，物体上的涡流形成次级绕组。电感器之间的耦合是线圈感值，以及金属物体的电阻率、距离、大小和形状的函数。

二次绕组的阻抗可建模为与距离相关的模型并等效到一次侧（线圈）上

振荡器可以看做一个频率选择电路和一个闭环增益模块的组合，只要满足：（1）增益>1；（2）闭环相移为2π

谐振频率

其中

Rp是工作频率下LC谐振器的交流并联电阻。

传感器激活过程

• 芯片提供两种选择，减少等幅震荡建立时间或减少电流以降低功耗
• SENSOR_ACTIVATE_SEL =b0 使用最大电流激发振荡，在已经配置最大电流时（IDRIVEx = b11111）没有变化
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