LDC1314和LDC1312的使用

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

一、检测原理

        LDC1314的每个测量通道会连接一个LC谐振器，然后LDC1314驱动谐振器产生震荡，在LC谐振器的电感中会通过交流电，进而会产生电磁场。往这个电磁场中放入导体，导体表面会感应出涡流，涡流的大小与导体的大小、构成、与电磁场的距离有关。导体中的涡流也是交流，进而会产生它自己的磁场，并且与LC谐振器的电感产生的磁场相反，进而影响LC谐振器的震荡频率。LDC1314会不停的测量LC振荡器的震荡频率，用户通过读取震荡频率就可以判断，是否有导体放入检测器中。

二、LDC1314的时钟

        如上图，LDC1312的主频fCLK可以使用外部的时钟也可以使用内部的时钟，通过REF_CLK_SRC寄存器来选择，对测量精度要求高的就可以使用外部时钟。fCLK经过分频输出fREF0、fREF1、fREF2、fREF3分别给4个测量通道使用，分频系数由CHx_FREF_DIVIDER决定。
        fSENSOR 是LC振荡器的振荡频率，在输入LDC1314后分频变为fIN0、fIN1、fIN2、fIN3。
        经过分频后得到的fREF和fIN，必须满足下表的关系：

注：  

        1、LDC1314的内部时钟频率典型值为43.4MHz，但是最大可以到55MHz，最小可以到35MHz，波动范围比较大，很影响测量的精度。对测量要求高的应用，推荐使用稳定的外部时钟。

        2、fSENSOR的频率范围为：1KHz<fSENSOR<10MHz。

三、LDC1314的测量值

        LDC1314的测量值会保存在寄存器DATA_MSB_CHx中，有12位，通过IIC读取即可。

        测量值的意义是LC振荡器与该通道参考频率的比值，再放大2的12次方倍。即：

        因此LC的震荡频率可通过下面公式计算：

        为了补偿频率偏移或最大化采样数据的动态范围，测量值DATAx应该减去一个偏移值，偏移值一般会小于fSENSORx_MIN / fREFx。偏移值使用OFFSET_CHx寄存器来设置。

         如上图，假如测量值有16位，如果Output_gain = 0x0，则DATA_CHx [11:0]会取这16位数据的高12位。如果Output_gain = 0x3，则DATA_CHx [11:0]会取这16位数据的低12位。

        比如测量值为0x07A3，如果Output_gain = 0x0，则DATA_CHx [11:0]取高12位得到0x07A。如果Output_gain = 0x3，则DATA_CHx [11:0]取低12位得到0x7A3。

        Output_gain的值需要根据自己的测量结果来调节。

        考虑偏移和Output_gain 后，LC震荡频率计算公式变为：

四、多通道和单通道

        多通道和单通道的测量过程对比：

        因为LDC1314中只有一个测量器，当开启多个通道时也只能一个通道一个通道测量，因此多通道的测量过程包含3部分：sensor activation time + conversion time + channel switch delay。

1、sensor activation time通过寄存器SETTLECOUNT_CHx来设置

        设置值的计算公式如下：

        计算出的CHx_SETTLECOUNT值要向上取整，比如值为6.08，要取值7或更高。CH0_SETTLECOUNT值对应的实际时间用下面公式来得到：

2、conversion time通过寄存器RCOUNT_CHx来设置：

        根据测量结果需要多少个有效位来设置conversion time，比如需要13位，则2^13=8192=CHx_RCOUNT*16，因此CHx_RCOUNT取值0x200。CHx_RCOUNT值对应实际时间为：

3、channel switch delay是固定的，一般取值：

五、驱动电流控制

        驱动电流控制寄存器如下：

        Auto-calibration模式是用来决定最优的驱动电流的，一般在调试的时候使用。

        auto-amplitude correction功能会让LDC1314通过调节驱动电流来保持LC震荡幅值处于1.2V到1.8V之间。当此功能打开后，由于驱动电流的调整，测量数据可能显示出非单调行为。此功能推荐使用在低精度的应用中。

        在LDC1314的4个通道中只有0通道的驱动电流可以大于1.5mA，其他3个通道的最大驱动电流为1.5mA。当LC振荡器的Rp低于1K，需要大于1.5mA的电流来驱动，此时就可以把它接到0通道，并且设置HIGH_CURRENT_DRV寄存器位来使能大电流驱动模式。

        如果LC振荡器的Rp值已知，则可以通过下图来直接选择IDRIVE的值。当IDRIVE=0，驱动电流为16 μA, 当IDRIVE = b11111，驱动电流为1563 μA。

        IDRIVE值的设置是很重要的，要保证当被探测物体与LC距离最近，也就是Rp变得最小时，LC振荡器仍然能震荡起来。Rp与距离的变化关系：（测量条件：23 turns, 4-mil trace width, 4-mil spacing between traces, 1-oz copper thickness, FR4）

 

 

六、状态寄存器和错误使能寄存器

        状态寄存器：

        如上所示， 获取LDC1314的错误和标志有两种方式，一种是读STATUS寄存器，一种是读DATA_CHx寄存器。STATUS寄存器可以获取到所有的错误和标志。DATA_CHx只能获取到量程错误、看门狗错误、幅值错误，但是可以在读取测量结果的时候就顺便获取到，因此很实用。

        STATUS寄存器和DATA_CHx寄存器中的错误状态显示以及INTB引脚的中断功能都由ERROR_CONFIG来控制：

        当ERROR_CONFIG设置为0x0000，则即使发生错误，STATUS寄存器和DATA_CHx寄存器中的错误位也不会置位。

        当STATUS寄存器中的某位被置位后，该位会一直保持住，直到STATUS寄存器被读或DATA_CHx寄存器被读。被读后同时会取消INTB引脚的中断状态。

        以下操作都会取消中断状态：

1、进入Sleep模式。

2、Power-on reset (POR)

3、SD引脚拉高，进入Shutdown模式。

4、S/W reset

5、通过IIC读STATUS寄存器。

 

七、通道输入滤波器

        LC振荡器输入LDC1314时可以添加一个滤波器，用于抑制EMI和高于传感器频率的振铃。一般抑制的频率稍微高于LC震荡频率即可，如震荡频率为2M，则选择MUX_CONFIG.DEGLITCH = b100 (3.3 MHz)。

八、CONFIG寄存器和MUX_CONFIG寄存器

        寄存器总表：

九、LDC1314的工作模式

1、Startup模式

        LDC1314上电后会进入Sleep模式等待被配置。当配置完后，设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN为0退出Sleep模式。无论工作在何种模式，要修改LDC的配置，都推荐进入Sleep模式。

2、Normal (Conversion)模式

        正常工作模式，周期性测量输入通道的震荡频率。

3、Sleep模式

       设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN为1进入。设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN为0退出。当退出，经过16384fINT个时钟后开始第一次测量。

4、Shutdown模式

        拉高SD引脚进入。

十、IIC通讯

        ADDR引脚拉低，IIC地址为0x2A。拉高，IIC地址为0x2B。时序如下，为标准的IIC时序。

十一、设计LC振荡器

        使用TI提供的工具：https://webench.ti.com/wb5/LDC/#/spirals 

        选择芯片型号和线圈的形状。

        填入其他的线圈参数，该工具会自动计算线圈的电感、震荡频率等。利用Q值、L、C可以计算出Rp：

        设计完后，输出给AD或Cadence即可。

        效果如下：

十二、寄存器参数初始配置

        假设LC振荡器的参数为：L = 43.9 μH, C = 100 pF，RP = 6.6 kΩ。fSENSOR = 1/( 2π√(LC) ) = 1/( 2π√(43.9*10^-6 * 100*10^-12) )= 2.4 MHz。LDC1314使用外部40M时钟，LC振荡器连接到0通道，则配置过程如下：

1、因为fSENSOR比较小（低于8.75 MHz），故可以不分频。设置CH0_FIN_DIVIDER为0x1，即fIN0 = fSENSOR = 2.4MHz。要求fREF0> 4 × fSENSOR。因此取fREF0为20M，设置CH0_FREF_DIVIDER为0x02。最终divider寄存器(地址0x14)赋值为0x1002。

2、设置通道0的settling time。使用公式：

计算出Q=10。由CH0_SETTLECOUNT ≥ Q × fREF0 / (16 × fSENSOR0) 得到CH0_SETTLECOUNT =5.2，向上取整为6，考虑系统公差的裕度最终取值10。寄存器SETTLECOUNT_CH0（地址0x10）赋值为0x000A。

settle time=(10 x 16)/20,000,000 = 8 μs

3、通道0的switching delay为 ~1μs（当fREF = 20 MHz）。

4、设置conversion time。conversion time 为 : TSAMPLE – settling time – channel switching delay = 1000 – 8 – 1 = 991 μs。

根据公式Conversion Time (tC0)= (CH0_RCOUNTˣ16)/fREF0，计算CH0_RCOUNT=1238，因此CH0_RCOUNT寄存器(地址0x08) 赋值为0x04D6.

5、给ERROR_CONFIG 寄存器(地址0x19)赋值为默认值，即不使能任何中断。

6、设置驱动电流。使用Rp=6.6 kΩ，从下图读值。IDRIVE取值18。INIT_DRIVE取值0，因此DRIVE_CURRENT_CH0寄存器 (地址0x1E)赋值为0x9000

7、设置MUX_CONFIG寄存器。

设置AUTOSCAN_EN为1，使能多通道模式。

设置RR_SEQUENCE为0，使能2通道数据转换（通道0和1）。

设置DEGLITCH为b100，输入滤波频率为3.3MHz。

最终MUX_CONFIG寄存器(地址0x1B) 赋值为0x820C。

8、设置CONFIG寄存器。

设置ACTIVE_CHAN为 b00，选择通道0。

设置 SLEEP_MODE_EN 为b0 ，不进入SLEEP模式。
设置Set RP_OVERRIDE_EN 为b1，禁止auto-calibration功能。

设置SENSOR_ACTIVATE_SEL为b0, 当进入sensor activation time时，以全电流来驱动。

设置 AUTO_AMP_DIS为b1 ，禁止auto-amplitude correction功能。

设置REF_CLK_SRC field为 b1 ，使用外部时钟。

最后CONFIG 寄存器(地址0x1A)赋值为 0x1601。

十三、推荐初始配置

        LDC1314针对单通道和多通道也给出了推荐的配置：

1、单通道

2、多通道