标题：通用传感器接口UTI03
简介
通用传感器接口UTI03是荷兰Smartec联合荷兰代尔夫特理工大学实验室研制成功的。它是针对电阻式、微电容式、电阻桥式传感器而开发的接口芯片。它诞生的原因是：Smartec公司意识到这么多年来，有经验的工程师对模拟输出传感器，如铂电阻，热敏电阻，惠斯顿电桥等非常熟悉，他们需要一种可以把模拟传感器直接连上单片机的媒介。
特性
◆ 为下列传感器提供接口：电容式传感器，铂电阻，热敏电阻，电阻桥传感器和电位计
◆ 可以同时测量多个传感器
◆ 单路供电2.9~5.5V，电流消耗低于2.5mA  ◆ 分辨率和线性度可达14位和13位
◆ 偏置和增益的连续自动校正
◆ 微处理器兼容的输出信号
◆ 三态输出
◆ 测量时间10ms或100ms，快慢模式可调
◆ 几乎全部采用2/3/4线制测量方式
◆ 传感器激励信号为交流电压
◆ 抗 50/60Hz干扰  ◆ 掉电模式
◆ 工作温度：-45~85℃ （DIL，SOIC）
◆ 工作温度：-40~180℃（裸机）
应用
自动化，医疗和工业等方面的应用
◆  精确温度测量（Pt，NTC）
◆  阻桥式的压力传感器等
◆ 角度，位置感测
◆ 容性传感器的参数测量
◆ 电位计
概述
UTI是基于一个周期调制的振荡器并用于低频测量的模拟前端。传感元件可直连在UTI上，且不需要任何外接电路，仅需一相同类型的参考元件。UTI的输出是周期调制信号，可与微处理器（MCU）兼容。UTI为下列元件提供接口：
◆  容性传感器0~2pF，0~12pF等，最大到300pF
◆  铂电阻Pt100 Pt1000
◆  热敏电阻1k~25k
◆  阻性电桥 250~10k 最大不平衡度±4%或±0.25%
◆电位计1k~50k
UTI对于基于智能MCU的系统非常适合。所有的信息只通过一MCU兼容的信号输出，这样大大的减少了各分立模块之间的外接线和耦合器。   
三信号技术连续地自校正增益和偏移量，斩波技术消除了低频信号的干扰。UTI具有16中工作模式，可通过相关的引脚进行设置。 
  引脚
引脚功能VDD，Vss
供电A~F
传感器接口SEL..SEL4
设置模式OUT
输出SF
快/慢模式设置
CML
CMUX02/CMUX12模式设置
PD
掉电模式（三态)

工作模式
UTI具有16种工作模式。这些模式被SEL1、SEL2、SEL3、SEL4这四个引脚控制。SF控制快慢模式，而PD控制掉电模式 
PD用作控制掉电模式。当PD=0，UTI掉电模式工作，对外呈现高阻抗。这使得多个UTI的输入可以连在一个线上，通过设置PD来选择其中一个UTI的输出信号传输至总线上。      
在模式CMUX下，CML引脚用于选择容值范围。当CML=1时，范围为0~12pF；当CML=0时，范围为0~2pF。而在其他模式下，CML通常接地。
不允许任何引脚浮置，除非有特殊要求。     
SEL



1234模式相数 

传感元件测量理论
三信号技术三信号技术是一种在线性系统中消除未知偏置和未知增益的技术。为了利用这种技术，除了测量传感器的信号之外，还需用相同的方法测试两个参考信号，假设一线性系统的关系如下：    
Mi=kEi+Moff 
我们给系统设置3个不同的输入：E1=0，E2=Ere，E3=Ex    则：
M1=Moff，M2=Mref=k*Eref+Moff，M3=Mx=k*Ex+Moff         算出：
P=（M3-M1)/(M2-M1)=Ex/Eref
对于线性系统，在上式中我们可以看到未知偏置和未知增益的影响被消除了，而且P代表这未知传感器信号与已知传感器信号之比，这种技术叫做三变量技术，或者三信号技术。尽管偏移量和增益的大小可能随时会变化，但是它们对结果都没有影响，因此，UTI具有自校正功能。          
使用三信号技术需要一MCU，它能数字化UTI的输出信号，并对数据进行存储和运算。这样一个综合传感器、信号处理电路（例如UTI)、MCU的功能模块叫做基于微处理器的智能传感系统。自校正的特性说明UTI性能不受温度影响。传感器的测量UTI输出是一周期调制信号，如下图，展示了两个由三相组成的完整周期：
  三信号技术要求必须给UTI提供三个或三个以上的输入，第一相时，输入一般为0；第二相是，输入切换到参考元件的输出；接下来的相UTI将测量一个或更多未知传感器的输出。上图描述的情况里只有一个未知传感器需被测量。UTI输入信号的控制完全能够由其本身控制，不需MCU的干涉。  
第一相时整个线性系统的偏置量被测量了；第二相时参考信号被测量了，最后一相未知传感器元件被测量了。各相持续的时间是与各相的被测信号呈比例关系，如下表：      
容性测量
阻性测量
Toff=NK1C0
Toff=NK2V0
Tref=NK1(Cref+C0)
Tref=NK2(Vref+V0)
Tx=NK1(Cx+C0)
Tx=NK2(Vx+V0)
Cx和Vx是须被测量的传感器的参数，Cref和Vref是参考信号，C0和V0是不变部分（包括电压偏移量等）。K1和K2是增益。因子N代表内部振荡器的周期数，快模式下，N=128；慢模式下，N=1024。Vx和Vref，可能分别是阻性传感与参考电阻两端的电压，也可能分别是阻桥传感输出电压与电桥供电电压；不同模式下代表代表不同的含义。UTI的输出能够通过计算每相MCU的时钟信号而数字化，结果就是Noff、Nref和Nx。因此比例Cx/Cref和Vx/Vref可以由MCU算出：   
P=(Nx-Noff)/(Nref-Noff)=Cx/Cref               
P=(Nx-Noff)/(Nref-Noff)=Vx/Vref 
因为P不取决于系统偏移量和增益，因此说系统具有自校正功能。
上诉三相是分时测量的。第一相由两个周期组成（输出频率暂时的翻倍了）。正因如此，MCU能够识别各相并做出正确的计算。因为第一相（偏置相）总是最短的，这也能被用识别各相。一般一整个输出信号周期含相数3到5个，这主要取决于UTI的工作模式。每个特定的工作模式有固定的周期数。通常UTI测试都有一个偏置量的测量、一个参考量的测量和一个或多个的未知元件的的测量。分辨率和精度UTI输出由MCU数字化。但数字化过程引入了量化干扰，它会限制UTI的分辨率。任何相的量化干扰造成的误差，由下式决定： σ=ts/2.3*Tphase
ts是取样时间，Tphase是相持续时间。例如：ts=1us，Tphase=20ms，σ=1/45000，由此推出慢模式下最大分辨率为15.5BIT，而快模式下为12.5BIT。      
为进一步改善分辨率可取M1… Mp后取平均值，σ将减小p倍。线性度一般UTI的线性度位于11BIT与14BIT之间，这主要取决于工作模式。UTI的容性测量一般测量电容的方法是并联，UTI的测量方法则比较特殊：
传统测量电容的方法中，电路电容并联被测电容。避免测量小电容时长电缆的影响是比较难的。UTI采用基于电荷转移的四电极法解决了这个问题，电容激励来自一个电源。这说明Cp1个并联在电压源上，因此不是测试电路的一部分。Cx上的电荷被一接地的电荷放大器吸收，说明Cp2被短路了。采用四电极发测电容可小至aF级别，而电缆线的寄生电容可能会有上百pF。                  
从上诉的"非线性度与寄生电容的关系图"中可以看出，寄生电容为500pF时，非线性度为10E-3。
当测量多个电容时，每个节点（例如A、B、C、D、E、F）会被依次激活一段特定的时间。节点在没有激活时是接地并相互并联的，所以对测量没有影响。节点的激活转换完全有UTI自动控制。在CMUX模式下，被测电容的数目是没有限制的。