深入解析LDC1612/LDC1614：多通道28位電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器的強(qiáng)大魅力

在電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器（LDC）是實(shí)現(xiàn)高精度電感測量與感應(yīng)應(yīng)用的關(guān)鍵組件。今天，我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）推出的LDC1612和LDC1614這兩款多通道28位電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，深入了解它們的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：ldc1612.pdf

產(chǎn)品概述

LDC1612和LDC1614分別為2通道和4通道的28位電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，專為電感感應(yīng)解決方案而設(shè)計(jì)。它們具有諸多顯著優(yōu)勢，如使用便捷、功耗低、系統(tǒng)成本低等，能夠在多種應(yīng)用場景中發(fā)揮出色的性能。

產(chǎn)品特性

• 易于使用：僅需確保傳感器頻率在1kHz至10MHz范圍內(nèi)，即可開始感應(yīng)，無需復(fù)雜的配置。
• 多通道支持：最多可支持4個通道，且通道間的傳感器驅(qū)動匹配良好，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境和老化補(bǔ)償。同時，支持遠(yuǎn)程傳感器位置超過20cm，可在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作。
• 高分辨率與寬感應(yīng)范圍：28位的高分辨率通道提供了較大的感應(yīng)范圍，在超過兩個線圈直徑的距離仍能保持良好性能。
• 低功耗：具備35μA的低功耗睡眠模式和200nA的關(guān)機(jī)模式，有效降低了系統(tǒng)功耗。
• 寬電壓范圍：工作電壓范圍為2.7V至3.6V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 多參考時鐘選項(xiàng)：內(nèi)置內(nèi)部時鐘可降低系統(tǒng)成本，同時支持40MHz外部時鐘以提升系統(tǒng)性能。
• 抗干擾能力：對直流磁場和磁鐵具有免疫能力，確保測量的準(zhǔn)確性。

應(yīng)用領(lǐng)域

LDC1612和LDC1614的應(yīng)用十分廣泛，涵蓋了消費(fèi)電子、家電、汽車、工業(yè)等多個領(lǐng)域，例如：

• 消費(fèi)產(chǎn)品：如旋鈕、滑塊按鈕等。
• 家電設(shè)備：各類按鍵和鍵盤。
• 汽車行業(yè)：用于金屬檢測、按鍵等。
• 工業(yè)領(lǐng)域：金屬檢測、POS和EPOS等。

詳細(xì)技術(shù)解析

功能框圖與工作原理

LDC1612/LDC1614由前端諧振電路驅(qū)動器、多路復(fù)用器和核心測量模塊組成。多路復(fù)用器按順序切換激活通道，將其連接到核心模塊，核心模塊利用參考頻率（?REF）測量傳感器頻率（?SENSOR），并將其數(shù)字化輸出。數(shù)字化輸出與?SENSOR / ?REF的比值成正比。I2C接口用于設(shè)備配置和將數(shù)字化頻率值傳輸?shù)街鳈C(jī)處理器。

特性描述

1. 多通道和單通道操作：支持單通道連續(xù)轉(zhuǎn)換或多通道自動順序轉(zhuǎn)換。在多通道模式下，依次對選定通道進(jìn)行采樣；單通道模式下，僅對選定通道進(jìn)行連續(xù)采樣。轉(zhuǎn)換完成后，可配置INTB引腳以指示轉(zhuǎn)換完成。
2. 可調(diào)轉(zhuǎn)換時間：轉(zhuǎn)換時間與測量分辨率成反比，可通過設(shè)置RCOUNTx寄存器在3.2μs至>26.2ms范圍內(nèi)進(jìn)行配置，以滿足不同的測量需求。
3. 傳感器啟動和毛刺配置：可通過設(shè)置SETTLECOUNTx寄存器調(diào)整傳感器啟動時間，確保傳感器振幅穩(wěn)定后進(jìn)行測量。同時，提供內(nèi)部濾波器以衰減外部噪聲干擾。
4. 參考時鐘：為保證最佳性能，需要一個干凈的參考時鐘。LDC1612/LDC1614提供內(nèi)部參考振蕩器，典型頻率為43MHz，溫度系數(shù)為 -13ppm/°C。也可使用外部參考頻率，通過CLKIN輸入。每個通道都有獨(dú)立的分頻器配置，以適應(yīng)不同的傳感器頻率。
5. 傳感器電流驅(qū)動控制：為維持傳感器振幅穩(wěn)定，需要注入能量。LDC1612/LDC1614通過驅(qū)動與傳感器諧振頻率匹配的交流電流來實(shí)現(xiàn)。每個通道的電流驅(qū)動可獨(dú)立設(shè)置在16μA至1.6mA之間，還可通過RP_OVERRIDE_EN功能自動確定和動態(tài)調(diào)整傳感器電流。
6. 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：可通過I2C接口監(jiān)測傳感器狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，報(bào)告的狀態(tài)包括傳感器振幅超出范圍、無法振蕩、新轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可用、轉(zhuǎn)換錯誤等，有助于及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況。

設(shè)備功能模式

1. 啟動模式：上電后進(jìn)入睡眠模式，等待配置。配置完成后，將CONFIG.SLEEP_MODE_EN設(shè)置為b0，退出睡眠模式并開始轉(zhuǎn)換。
2. 睡眠模式（配置模式）：將CONFIG.SLEEP_MODE_EN寄存器字段設(shè)置為1進(jìn)入睡眠模式，此時設(shè)備保留配置但不進(jìn)行轉(zhuǎn)換。設(shè)置為0可進(jìn)入正常模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。睡眠模式下I2C接口仍可正常工作，可進(jìn)行寄存器讀寫操作。
3. 正常（轉(zhuǎn)換）模式：設(shè)備按照配置對傳感器頻率進(jìn)行重復(fù)采樣，并為激活通道生成采樣輸出。
4. 關(guān)機(jī)模式：將SD引腳設(shè)置為高電平進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，這是最低功耗狀態(tài)。將SD引腳設(shè)置為低電平可退出關(guān)機(jī)模式進(jìn)入睡眠模式。關(guān)機(jī)模式下所有寄存器恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)，不進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且無法通過I2C接口讀寫設(shè)備。

編程與寄存器配置

LDC1612/4使用I2C接口訪問控制和數(shù)據(jù)寄存器。推薦的配置流程是先將設(shè)備置于睡眠模式，設(shè)置相應(yīng)寄存器，然后進(jìn)入正常模式。轉(zhuǎn)換結(jié)果必須在正常模式下讀取。設(shè)置設(shè)備為關(guān)機(jī)模式將重置設(shè)備配置。

寄存器配置是使用LDC1612/LDC1614的關(guān)鍵，不同的寄存器用于設(shè)置轉(zhuǎn)換參數(shù)、傳感器驅(qū)動電流、時鐘分頻等。例如，RCOUNTx寄存器用于設(shè)置轉(zhuǎn)換時間，SETTLECOUNTx寄存器用于設(shè)置傳感器啟動時間，DRIVE_CURRENTx寄存器用于設(shè)置傳感器電流驅(qū)動等。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用原理

在電感感應(yīng)應(yīng)用中，交流電流通過電感會產(chǎn)生交流磁場，當(dāng)導(dǎo)電材料靠近電感時，會產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場會與原磁場相互作用，導(dǎo)致電感值發(fā)生變化。LDC1612/LDC1614通過測量電感值的變化來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的檢測和測量。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 傳感器設(shè)計(jì)：傳感器的設(shè)計(jì)對測量結(jié)果至關(guān)重要。可使用德州儀器的WEBENCH設(shè)計(jì)工具進(jìn)行線圈設(shè)計(jì)，確定合適的 (R{P})、L和C值。同時，要注意傳感器的自諧振頻率，確保 (f{SENSOR}<0.8 × f_{SR})。
2. 時鐘配置：選擇合適的參考時鐘源和分頻器設(shè)置，以滿足系統(tǒng)性能要求。對于大多數(shù)系統(tǒng)，最大允許的參考頻率可提供最佳性能。
3. 傳感器電流驅(qū)動配置：根據(jù)傳感器的 (R_{P}) 值選擇合適的IDRIVEx設(shè)置，確保傳感器信號振幅在1.2VP至1.8VP的最佳范圍內(nèi)?？赏ㄟ^自動校準(zhǔn)或示波器測量來確定合適的電流驅(qū)動值。
4. 數(shù)據(jù)讀取與處理：在多通道模式下，要注意數(shù)據(jù)讀取的時機(jī)，避免數(shù)據(jù)丟失。可通過監(jiān)測STATUS寄存器中的UNREADCONVx標(biāo)志來判斷是否有未讀取的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

典型應(yīng)用示例

以一個多通道軸向位移應(yīng)用為例，使用LDC1612進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳感器0用于接近測量，傳感器1用于溫度補(bǔ)償。通過合理配置寄存器，如設(shè)置時鐘分頻器、轉(zhuǎn)換時間、傳感器電流驅(qū)動等，可實(shí)現(xiàn)高精度的測量。

電源與布局建議

電源供應(yīng)

LDC需要2.7V至3.6V的電壓供應(yīng)，建議在VDD和GND引腳之間使用1μF的多層陶瓷X7R旁路電容。如果電源距離LDC較遠(yuǎn)，可能需要額外的電容。旁路電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備的VDD和GND端子，以減小環(huán)路面積。

布局設(shè)計(jì)

• 避免傳感器與LDC之間的長走線，高頻傳感器應(yīng)更靠近設(shè)備以減少噪聲。
• INAx和INBx走線應(yīng)作為差分對布線，并行且靠近。
• 傳感器電容應(yīng)靠近電感放置，以降低傳感器 (R_{P})。
• 避免在傳感器層下方或之間放置填充平面，傳感器與平面之間應(yīng)保持至少20%傳感器直徑的間隙，且不應(yīng)有連續(xù)的導(dǎo)體環(huán)環(huán)繞傳感器。

總結(jié)

LDC1612和LDC1614作為高性能的多通道28位電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有諸多優(yōu)秀特性和廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理配置寄存器、選擇合適的傳感器和時鐘源，并注意電源和布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高精度的電感測量和感應(yīng)應(yīng)用。希望本文能為電子工程師們在使用LDC1612/LDC1614進(jìn)行設(shè)計(jì)時提供有益的參考。你在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。