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[参考译文] LDC1101：将 LDC 用于高速精确距离传感器

admin
Guru**** 2750515 points

Other Parts Discussed in Thread: LDC1101EVM, LDC1101, LDC1312, LDC1614EVM

请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/sensors-group/sensors/f/sensors-forum/875994/ldc1101-using-ldc-for-high-speed-precise-distance-sensor

器件型号：LDC1101
主题中讨论的其他器件：、 LDC1312、 LDC1614EVM

大家好、

我对 LDC1101有几个问题、它用作闭环系统中未来涡流传感器的主要组件。 到目前为止、我通过 TI GUI 对 LDC1101EVM 执行了基本测试。

我正在寻求将其中一个 LDC 用于必须具有以下参数的传感器：

采样率：20kHz、固定转换时间

可重复性：<+-5um

感应范围：0.2-2 mm

工作温度： 0-60°C

目标：直径比传感器大3倍以上的铝块。 厚度4+ mm。

分辨率：>= 12位

在我做出假设后、如果我正确接触、请表扬：

基于采样率、LDC1101是唯一能够实现足够高采样率的 LDC 器件。 下一个最快的选择是 LDC1312、但最大采样率限制为：13.3kSPS。

固定转换时间仅适用于 LHR 测量模式。 RP 或 Rp+L 测量值根据传感器频率变化、遗憾的是、这对于实时控制器是无用的。 必须有固定的转换时间。 此外、LHR 测量不会受到温度变化的显著影响、因为 Rp 测量必须具有一些温度补偿。

传感器直径应至少是最大距离的两倍。 我只需要2mm、即4mm 直径的传感器线圈。 但在手册中、使用与设计一样大的直径。 我使用直径为14mm、15匝、间距为0.15mm 且布线宽度为的默认线圈。 它具有4层2x2并行。 390pF 电容器。  

最佳传感器直径和其他参数是什么？ 我应该使用绕线线圈、是否应该有铁氧体磁芯？ 如果需要、我可以安装20mm 的偶数直径。

Q 应尽可能高。

填充率至少为0.3、越大越好。

电感应较高、还是无关紧要？ 我知道频率变化越大、我得到的分辨率就越高。 此外、最好具有更低的 LC 传感器频率、因为我可以在其中安装更多周期的参考时钟、这样可以使测量更加精确。  

并联传感器线圈配置是否对 LHR 测量有任何积极影响？ (手动 snoa930a.pdf 建议使用它进行 Rp 测量)。  

我在静态模式下执行了可重复性测试(10次达到4位置0.3-1.2 mm、默认为传感器)。 寄存器0x30 - 2E 和0x31 - 0。 参考时钟12MHz、仅限 LHR 测量。 目标为70x70毫米铝。 默认线圈直径14 mm。  

我知道、LHR 模式的转换时间等式至关重要。 (snosd01d.pdf eq. 14)

T_conv =(55 + RCOUNT*16)/f_CLKIN

其中一个限制是 f_CLKIN、现在为12MHz。 它可被改变至16MHz、这将转换时间减少1/4并保持同样的性能。 默认参考时钟是否足够精确或仅用于评估？ 基准时钟的精度也是影响整体性能的主要因素之一。  

我阅读手动 sna941a、3标题： 此外，LDC1101的 LHR (高分辨 率电感模式)测量具有32MHz 的有效基准频率(当外部 基准频率设置为支持的最大16MHz 时)。 LDC1101是否支持比16MHz 更高的基准频率？  

RCOUNT 设置为：46、寄存器十六进制代码：2E。 以便采样率>20kHz (20.22756kHz)。 我假设有16MHz 的参考时钟。 现在、采样率较小、但其性能应保持不变。

我得到了以下结果：

 300um +- 4.06868um (3_SIGMA)

  600um +- 10.71658um (3_SIGMA)

  900um +/- 12.20337um (3_SIGMA)

1200um +- 22.97813um (3_SIGMA)

遗憾的是、在这种配置下、我没有获得所需的性能。 我了解到、随着距离和采样率的增加、重复性会迅速降低、但是否仍有改进的方法？ 或者、我是否处于性能可能性的边缘？ 定制的传感器线圈是否会提高整体性能？  

非常感谢您的回答和任何建议。

此致、

Michael

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    TI__Guru**** 2750515 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    您好、Michael、

    首先、感谢您进行如此多的研究并提供如此多的信息！ 如果您不介意、您能否分享您如何找到所使用的配套资料？ 我们始终希望改进我们的宣传材料内容和组织。

    我已复制粘贴您的问题并在下面回答：

    最佳传感器直径和其他参数是什么？ 我应该使用绕线线圈、是否应该有铁氧体磁芯？ 如果需要、我可以安装20mm 的偶数直径。

    除非您的目标小于您的传感器、否则最佳传感器直径与您的空间一样大。 我建议使用 PCB 线圈、与绕线线圈相比、该线圈具有更严格的电感容差。 增大线圈直径会提高灵敏度。

    2、 电感应高还是无关紧要？ 我知道频率变化越大、我得到的分辨率就越高。 此外、最好具有更低的 LC 传感器频率、因为我可以在其中安装更多周期的参考时钟、这样可以使测量更加精确。  

    从分辨率的角度来看、传感器频率有一个最佳范围(400kHz 至6MHz)。 我们 将在本应用手册中更详细地讨论这些内容。 传感器频率可能足够低、从而使有限数量的传感器振荡降低分辨率。 电感的重要性主要是因为它与传感器频率的关系。 在最佳频率范围内、电感无关紧要。 但是、较高的电感将降低系统的功耗。

     3.并联传感器线圈配置是否对 LHR 测量有任何积极影响？  

    是的、我们建议将此配置用于 L 测量和 Rp 测量。 这会减小线圈的 Rs、从而增大 Q 值。

    限制 之一是 f_CLKIN、现在为12MHz。 它可被改变至16MHz、这将转换时间减少1/4并保持同样的性能。 默认参考时钟是否足够精确或仅用于评估？ 基准时钟的精度也是影响整体性能的主要因素之一。  

    实际上、我建议使用具有已定义抖动和温度漂移规格的外部芯片振荡器。 这可能会对您的分辨率产生很大影响。 LDC1614EVM 使用外部振荡器、该振荡器可能适合您、但您需要订购它的频率为16MHz、而不是40MHz。

    5. 我阅读了手动 sna941a 和3标题： 此外 ，LDC1101的 LHR (高分辨 率电感模式)测量具有32MHz 的有效基准频率(当外部 基准频率设置为支持的最大16MHz 时)。   LDC1101是否 支持比16MHz 更高的基准频率？  

    否、支持的最大基准频率为16MHz。  

    6. 不幸的是，在这种配置下，我没有获得所需的性能。 我了解到、随着距离和采样率的增加、重复性会迅速降低、但是否仍有改进的方法？ 或者、我是否处于性能可能性的边缘？ 定制的传感器线圈是否会提高整体性能？  

    增大线圈的总直径并使用差分参考时钟都可以提高分辨率。 然而、在高采样率下实现所需的分辨率将是一项挑战。 为什么需要20kHz 的采样率？

    此致、

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    TI__Guru**** 2750515 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    Kristin、您好！

    非常感谢您的回答。  

    我知道 TI 产品已经有几年的历史了。 以前、我曾使用 C2000系列 Launchpad。 现在、我重点介绍 LDC 系列。 我获得的大多数信息来自您的网站、然后来自 snosd01d.pdf 中的参考链接。 我稍后可能会上传其他结果以进一步改进 LDC 系列。

    我仍有几个问题需要回答：

    答案1：  

    除非您的目标小于您的传感器、否则最佳传感器直径与您的空间一样大。 我建议使用 PCB 线圈、与绕线线圈相比、该线圈具有更严格的电感容差。 增大线圈直径会提高灵敏度。

    我可以安装20mm 的线圈、最好是填充率为0.3及以上、SRF 至少应为13.3MHz、以便匹配10MHz (建议 SRF 的75%)、该频率超出传感器 LC 振荡电路频率范围。 理想情况下、线圈采用4层并联配置。 那么、目标是实现尽可能高的电感和尽可能高的 Q。  

    如果我在 PCB 线圈后面有铁氧体磁芯、传感器对位置变化是否更敏感？ 或者应该至少周围有一些屏蔽？

    答案2：

    从分辨率的角度来看、传感器频率有一个最佳范围(400kHz 至6MHz)。 我们 将在本应用手册中更详细地讨论这些内容。 传感器频率可能足够低、从而使有限数量的传感器振荡降低分辨率。 电感的重要性主要是因为它与传感器频率的关系。 在最佳频率范围内、电感无关紧要。 但是、较高的电感将降低系统的功耗。


    这意味着振荡频率 为990.0kHz→1.0MHz、但它为 LDC161X 子系列输出最大唯一代码。 LDC1101也是最佳选择吗？

    从分辨率的角度来看、传感器频率有一个最佳范围(400kHz 至6MHz)。

    理想情况下、应将传感器调整为最小距离(0.2mm) 6MHz 和最大距离(2mm) 400kHz。 还是只是 400kHz 至6MHz 范围内的"某处"？

    答案4：

    实际上、我建议使用具有已定义抖动和温度漂移规格的外部芯片振荡器。 这可能会对您的分辨率产生很大影响。  LDC1614EVM 使用外部振荡器、该振荡器可能适合您、但您需要订购它的频率为16MHz、而不是40MHz。

    连接外部振荡器是否存在任何限制、或者我只需切断分离部分的引脚并连接外部振荡器即可？ GUI 的所有其他功能是否正常工作？

    对于已经设置外部振荡器、您有什么建议吗？  我在 LDC1614EVM 中找不到 任何可以使用的器件。 TI 是否提供此类器件？ 或者、我应该仅使用示波器作为实验室测试的参考时钟发生器吗？  

    答案6：增大线圈的总直径并使用差分参考时钟都可以提高分辨率。 然而、在高采样率下实现所需的分辨率将是一项挑战。 为什么需要20kHz 的采样率？

    传感器是闭环系统的一部分、必须具有尽可能短的响应时间。 过高的延迟会导致相移、从而使系统不稳定。 控制频率对应于20kHz 带宽。 遗憾的是 、低频已被证明是不够的。  

    非常感谢您的任何建议。

    此致、

    Michael

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    TI__Guru**** 2750515 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    您好、Michael、

    感谢您的反馈。 如果您有时间上传任何改进建议、我们欢迎您提出。 如果您尚未看到、我们提供了电感式感应常见问题解答(在我的签名中链接)、其中包含一些在您开始设计线圈时应能提供帮助的其他工具。

    回答您的问题：

    1.如果 PCB 线圈后面有铁氧体磁芯、传感器对位置变化是否更敏感？ 或者应该至少周围有一些屏蔽？

    您可以添加一层铁氧体背板、这既会增加动态范围、又会在线圈和铁氧体另一侧的任何金属之间提供屏蔽。 我们在 https://e2e.ti.com/blogs_/b/analoguewire/archive/2014/10/08/inductive-sensing-how-to-shield-from-metal-interference 上发布了有关这方面的博客文章

    这 意味着振荡频率 为990.0kHz→1.0MHz、但它为 LDC161X 子系列输出最大唯一代码。  LDC1101也是最佳选择吗 ？

    是的、这也是 LDC1101的最佳选择。  

    理想情况下、应将传感器调整为最小距离(0.2mm) 6MHz 和最大距离(2mm) 400kHz。 还是只是 400kHz 至6MHz 范围内的"某处"？

    传感器频率只需在这些范围内。 您的传感器频率不太可能发生高达5.6MHz 的漂移。 另请注意、LDC1101可驱动的最小传感器频率为500kHz、因此该范围的最小频率略高。

    4. 连接外部振荡器是否有任何限制，或者我只需切掉分离部分的引脚并连接外部振荡器即可？ GUI 的所有其他功能是否正常工作？

    只要 LDC1101具有有效的 CLKIN 输入、EVM 就应该仍然工作。 不过、您肯定不想切断图表中显示的 CLDO 迹线。 内部 LDO 需要该电容器；如果没有该电容器、芯片将无法正常运行。 如果您只能剪切板的 MSP430部分和 LDC1101部分之间的 CLKIN 连接、则只需连接外部振荡器即可。 您可能需要拆分各个部分并重新连接 SPI 和电源连接。

    对于已经设置外部振荡器、您有什么建议吗？  我在 LDC1614EVM 中找不到 任何可以使用的器件。 TI 是否提供此类器件？ 或者、我应该仅使用示波器作为实验室测试的参考时钟发生器吗？  

    我们不会设计合适的振荡器、但我建议使用 LDC1614EVM 中 CT 振荡器的抖动和漂移规格来指导您选择振荡器。 您可以将函数发生器用于 EVM 原型的实验室测试、但在使用芯片振荡器时、您应该希望定制板的行为有所不同。  

    此致、

     

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    TI__Guru**** 2750515 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    非常感谢 Kristin、

    了解更多信息后、我将上传更多结果。

    此致、

    Michael