CS8190：精密空心軸轉(zhuǎn)速/速度計(jì)驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)剖析與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作里，選擇一款合適的轉(zhuǎn)速/速度計(jì)驅(qū)動(dòng)器是設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一環(huán)。今天我們就來(lái)詳細(xì)探討 ON Semiconductor 推出的 CS8190，這是一款專為空心軸儀表機(jī)芯設(shè)計(jì)的精密驅(qū)動(dòng)器。

文件下載：CS8190EDWF20.pdf

一、CS8190概述

CS8190 專門用于空心軸儀表機(jī)芯，能為模擬轉(zhuǎn)速計(jì)或速度計(jì)提供所需的全部功能。它接收速度傳感器輸入，生成與正弦和余弦相關(guān)的輸出信號(hào)，以差分方式驅(qū)動(dòng)空心軸儀表。與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速計(jì)驅(qū)動(dòng)器（如 CS289 或 LM1819）相比，有諸多顯著增強(qiáng)之處。

（1）特性亮點(diǎn)

• 直接傳感器輸入：可直接連接傳感器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
• 高輸出扭矩：確保儀表指針能快速準(zhǔn)確地響應(yīng)，減少滯后現(xiàn)象。
• 低指針抖動(dòng)：提供穩(wěn)定的顯示效果，讓讀數(shù)更精確。
• 高輸入阻抗：對(duì)輸入信號(hào)的影響小，能更好地獲取原始信號(hào)。
• 過(guò)壓保護(hù)：能承受 60V 瞬態(tài)電壓，降低了對(duì)額外保護(hù)電路的需求。
• 歸零功能：當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)或電源異常時(shí)，指針能自動(dòng)回到零位。
• 環(huán)保設(shè)計(jì)：無(wú)鉛、無(wú)鹵素/BFR，符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)，滿足環(huán)保要求。

（2）封裝形式

提供 PDIP - 16 和 SO - 20W 兩種封裝：

• PDIP - 16（CS8190ENF16G）：通孔式封裝，便于手工焊接和調(diào)試，適合一些對(duì)散熱和安裝空間要求不高的場(chǎng)合。
• SO - 20W（CS8190EDWF20G、CS8190EDWFR20G）：貼片式封裝，體積小，適用于高密度電路板設(shè)計(jì)。

二、關(guān)鍵電氣特性

在不同的工作條件下，CS8190 展現(xiàn)出了穩(wěn)定且精確的電氣性能。以下詳細(xì)介紹各部分的特性：

（1）電源電壓部分

• 供電電流（ICC）：在 VCC = 16V、?40°C 且無(wú)負(fù)載時(shí)，典型值為 50mA，最大值為 125mA。這表明在不同溫度和負(fù)載情況下，電源電流會(huì)有所變化，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電源的供電能力。
• 正常工作范圍（VCC）：為 8.5 - 16V，這為電源設(shè)計(jì)提供了一定的靈活性，但實(shí)際應(yīng)用中最好將電壓穩(wěn)定在典型值附近，以保證芯片性能穩(wěn)定。

（2）輸入比較器部分

• 正輸入閾值：典型值為 2.0V，范圍在 1.0 - 3.0V 之間。這決定了輸入信號(hào)達(dá)到何種電壓時(shí)比較器會(huì)發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。
• 輸入滯回：典型值 500mV，有效防止因輸入信號(hào)的微小波動(dòng)而導(dǎo)致比較器誤動(dòng)作。
• 輸入偏置電流：在 0V ≤ VIN ≤ 8.0V 范圍內(nèi)，典型值為 - 80μA，可減少對(duì)輸入信號(hào)源的影響。
• 輸入頻率范圍：為 0 - 20kHz，能滿足大多數(shù)轉(zhuǎn)速和速度測(cè)量的需求。

（3）電壓調(diào)節(jié)器部分

• 輸出電壓：典型值為 7.0V，范圍在 6.25 - 7.50V 之間，為芯片內(nèi)部其他電路提供穩(wěn)定的電源。
• 輸出負(fù)載電流：可達(dá) 10mA，能為一定負(fù)載的電路供電。
• 輸出負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)：分別在 0 - 10mA 負(fù)載變化和 8.5V ≤ VCC ≤ 16V 電源電壓變化時(shí)，保證輸出電壓的穩(wěn)定，最大變化分別為 50mV 和 150mV。
• 電源抑制比：在 VCC = 13.1V、1.0VP/P、1.0kHz 條件下典型值為 46dB，有效抑制電源紋波對(duì)芯片的影響。

（4）電荷泵部分

• 輸入電壓和偏置電流：反相輸入電壓典型值為 2.0V，輸入偏置電流典型值為 150nA，確保電荷泵的正常工作。
• 線性度：在不同頻率下，線性度誤差在 - 0.10% - + 0.70% 之間，保證了頻率到電壓轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。
• 增益：F/VOUT 增益在 350Hz、CCP = 0.0033μF、RT = 243kΩ 時(shí)典型值為 10mV/Hz，可用于調(diào)整輸出電壓與輸入頻率的關(guān)系。

（5）函數(shù)發(fā)生器部分

• 歸零閾值：在 TA = 25°C 時(shí)，典型值為 6.0V，確保指針能準(zhǔn)確回到零位。
• 差分驅(qū)動(dòng)電壓：在不同相位（0°、90°、180°、270°）和 8.5V ≤ VCC ≤ 16V 電壓范圍內(nèi)，差分驅(qū)動(dòng)電壓的典型值在 5.5 - 7.5V 之間，為儀表線圈提供合適的驅(qū)動(dòng)電壓。
• 差分驅(qū)動(dòng)電流：在 8.5V ≤ VCC ≤ 16V 時(shí)典型值為 42mA，保證儀表指針有足夠的驅(qū)動(dòng)力。
• 零赫茲輸出角度：典型值為 0°，最大偏差在 ±1.5° 以內(nèi)，確保零轉(zhuǎn)速時(shí)指針位置準(zhǔn)確。
• 函數(shù)發(fā)生器誤差：在不同溫度（?40°C - 105°C）和電源電壓（9.0V - 16V）條件下，誤差范圍在 - 5.5° - + 5.5° 之間，影響著儀表顯示的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮如何進(jìn)行補(bǔ)償。

三、典型性能曲線分析

文檔中給出了多個(gè)典型性能曲線，這些曲線能幫助我們更直觀地了解 CS8190 的性能。

（1）函數(shù)發(fā)生器輸出電壓與偏轉(zhuǎn)角關(guān)系

從 “Function Generator Output Voltage vs. Degrees of Deflection” 曲線可知，函數(shù)發(fā)生器的輸出電壓隨偏轉(zhuǎn)角呈周期性變化，準(zhǔn)確描述了正弦和余弦輸出電壓與儀表指針偏轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有助于我們理解儀表的工作原理。

（2）電荷泵輸出電壓與輸出角度關(guān)系

“Charge Pump Output Voltage vs. Output Angle” 曲線顯示，電荷泵輸出電壓與輸出角度存在一定的函數(shù)關(guān)系，為我們?cè)O(shè)計(jì)頻率到電壓轉(zhuǎn)換電路提供了重要參考。

（3）輸出角度的極坐標(biāo)表示

“Output Angle in Polar Form” 曲線以極坐標(biāo)的方式直觀地展示了輸出角度的變化情況，方便我們分析儀表在不同工作狀態(tài)下的角度輸出。

（4）標(biāo)稱輸出偏差

“Nominal Output Deviation” 曲線給出了實(shí)際輸出角度與理論角度的偏差，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)此曲線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，提高精度。

（5）標(biāo)稱角度與理想角度關(guān)系

“Nominal Angle vs. Ideal Angle (After Calibrating at 180)” 曲線以及相關(guān)表格數(shù)據(jù)，對(duì)比了標(biāo)稱角度和理想角度的差異，有助于我們?cè)u(píng)估系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

四、電路原理與應(yīng)用

（1）電路原理

CS8190 內(nèi)部包含輸入比較器、電荷泵、帶隙電壓調(diào)節(jié)器和函數(shù)發(fā)生器等模塊。輸入信號(hào)通過(guò)高阻抗比較器進(jìn)行處理，其輸出經(jīng)外部電容耦合到電荷泵輸入。電荷泵將輸入信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換為電壓，該電壓通過(guò)函數(shù)發(fā)生器生成正弦和余弦輸出電壓，以差分方式驅(qū)動(dòng)儀表線圈，實(shí)現(xiàn)指針的偏轉(zhuǎn)。

（2）應(yīng)用注意事項(xiàng)

• F/V 輸出紋波：紋波電壓會(huì)導(dǎo)致指針抖動(dòng)，尤其是在低輸入頻率時(shí)?？赏ㄟ^(guò)增加 C4 的值來(lái)減少紋波，但會(huì)增加響應(yīng)時(shí)間，需在兩者之間進(jìn)行平衡。
• 欠壓檢測(cè)：當(dāng) VCC 低于 8.0V（典型值）時(shí)，輸入比較器被禁用；低于 6.0V（典型值）時(shí)，函數(shù)發(fā)生器使指針回到 0° 位置。連接一個(gè)大電容（> 2000μF）到 VCC 引線可確保指針可靠歸零。
• 元件選擇：
  • (C{CP}) 和 (R{T}) 的乘積直接影響頻率到電壓的轉(zhuǎn)換函數(shù)和溫度補(bǔ)償，需根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的值。(C{CP}) 范圍為 20pF - 0.2μF，(R{T}) 范圍為 100kΩ - 500kΩ。
  • R3 需確保電壓調(diào)節(jié)器的輸出電流不超過(guò) 10mA，同時(shí)要保證 (C_{CP}) 在每個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)能夠充分充電和放電。
  • C4 的選擇要兼顧最大允許紋波電壓和儀表響應(yīng)時(shí)間。

（3）應(yīng)用電路示例

文檔給出了速度計(jì)或轉(zhuǎn)速計(jì)應(yīng)用、帶有里程表的速度計(jì)應(yīng)用等電路示例。在不同的應(yīng)用中，只需根據(jù)實(shí)際需求對(duì)元件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。例如，在需要實(shí)現(xiàn)歸零功能時(shí)，必須連接 (C2 (> 2000 mu F))；在與 CS8441 配合使用時(shí)，(C2) 取值為 10μF。同時(shí)，要注意對(duì)芯片進(jìn)行瞬態(tài)電壓和反向電池保護(hù)，對(duì) FREQIN 引腳進(jìn)行額外濾波，以及縮短儀表線圈與芯片的連接距離以提高指針?lè)€(wěn)定性。

五、結(jié)語(yǔ)

CS8190 憑借其豐富的功能、出色的性能和環(huán)保設(shè)計(jì)，在轉(zhuǎn)速和速度測(cè)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)具體需求合理選擇封裝形式、調(diào)整元件參數(shù)，并充分利用其各項(xiàng)特性，以實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)速/速度計(jì)設(shè)計(jì)。你在使用 CS8190 或類似芯片的過(guò)程中有哪些獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)或遇到過(guò)什么問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。