Измерение показателей жизнедеятельности

The ADPD4100/ADPD4101 operate as a complete multimodal sensor front end, stimulating up to eight light emitting diodes (LEDs) and measuring the return signal on up to eight separate current inputs. Twelve time slots are available, enabling 12 separate measurements per sampling period.

The data output and functional configuration utilize an I²C interface on the ADPD4101 or a serial port interface (SPI) on the ADPD4100. The control circuitry includes flexible LED signaling and synchronous detection. The devices use a 1.8 V analog core and 1.8 V/3.3 V compatible digital input/output (I/O).

The analog front end (AFE) rejects signal offsets and corruption from asynchronous modulated interference, typically from ambient light, eliminating the need for optical filters or externally controlled dc cancellation circuitry. Multiple operating modes are provided, enabling the ADPD4100/ADPD4101 to be a sensor hub for synchronous measurements of photodiodes, biopotential electrodes, resistance, capacitance, and temperature sensors. The multiple operation modes accommodate various sensor measurements, including, but not limited to, photoplethysmography (PPG), electrocardiography (ECG), electrodermal activity (EDA), impedance, capacitance, temperature, gas detection, smoke detection, and aerosol detection for various healthcare, industrial, and consumer applications.

The ADPD4100/ADPD4101 are available in a 3.11 mm × 2.14 mm, 0.4 mm pitch, 33-ball WLCSP and 35-ball WLCSP

Applications

• Wearable health and fitness monitors: heart rate monitors (HRMs), heart rate variability (HRV), stress, blood pressure estimation, SpO2, hydration, body composition
• Industrial monitoring: CO, CO2, smoke, and aerosol detection
• Home patient monitoring

The ADPD188GG is a complete photometric system designed to measure optical signals from ambient light and from synchronous reflected light emitting diode (LED) pulses. Synchronous measurement offers best-in-class rejection of ambient light interference, both dc and ac. The module integrates a highly efficient photometric front end, two LEDs, and two photodiode (PD). All of these items are housed in a custom package that prevents light from going directly from the LED to the photodiode without first entering the subject.

The front end of the application specific integrated circuit (ASIC) consists of a control block, a 14-bit analog-to-digital converter (ADC) with a 20-bit burst accumulator, and three flexible, independently configurable LED drivers. The control circuitry includes flexible LED signaling and synchronous detection. The analog front end (AFE) features best-in-class rejection of signal offset and corruption due to modulated interference commonly caused by ambient light. The data output and functional configuration occur over a 1.8 V I²C interface or a serial peripheral interface (SPI) port.

Applications

• Optical heart rate monitoring
• Reflective PPG measurement
• CNIBP measurement 

The AD5940 and AD5941 are high precision, low power analog front ends (AFEs) designed for portable applications that require high precision, electrochemical-based measurement techniques, such as amperometric, voltammetric, or impedance measurements. The AD5940/AD5941 is designed for skin impedance and body impedance measurements, and works with the AD8233 AFE in a complete bioelectric or biopotential measurement system. The AD5940/AD5941 is designed for electrochemical toxic gas sensing.

The AD5940/AD5941 consist of two high precision excitation loops and one common measurement channel, which enables a wide capability of measurements of the sensor under test. The first excitation loop consists of an ultra low power, dual-output string, digital-to-analog converter (DAC), and a low power, low noise potentiostat. One output of the DAC controls the noninverting input of the potentiostat, and the other output controls the noninverting input of the transimpedance amplifier (TIA). This low power excitation loop is capable of generating signals from dc to 200 Hz.

The second excitation loop consists of a 12-bit DAC, referred to as the high speed DAC. This DAC is capable of generating high frequency excitation signals up to 200 kHz.

The AD5940/AD5941 measurement channel features a 16-bit, 800 kSPS, multichannel successive approximation register (SAR) analog-to-digital converter (ADC) with input buffers, a built in antialias filter, and a programmable gain amplifier (PGA). An input multiplexer (mux) in front of the ADC allows the user to select an input channel for measurement. These input channels include multiple external current inputs, external voltage inputs, and internal channels. The internal channels allow diagnostic measurements of the internal supply voltages, die temperature, and reference voltages.

The current inputs include two TIAs with programmable gain and load resistors for measuring different sensor types. The first TIA, referred to as the low power TIA, measures low bandwidth signals. The second TIA, referred to as the high speed TIA, measures high bandwidth signals up to 200 kHz.

An ultra low leakage, programmable switch matrix connects the sensor to the internal analog excitation and measurement blocks. This matrix provides an interface for connecting external transimpedance amplifier resistors (R_TIAs) and calibration resistors. The matrix can also be used to multiplex multiple electronic measurement devices to the same wearable electrodes.

A precision 1.82 V and 2.5 V on-chip reference source is available. The internal ADC and DAC circuits use this on-chip reference source to ensure low drift performance for the 1.82 V and 2.5 V peripherals.

The AD5940/AD5941 measurement blocks can be controlled via direct register writes through the serial peripheral interface (SPI) interface, or, alternatively, by using a preprogrammable sequencer, which provides autonomous control of the AFE chip. 6 kB of static random access memory (SRAM) is partitioned for a deep data first in, first out (FIFO) and command FIFO. Measurement commands are stored in the command FIFO and measurement results are stored in the data FIFO. A number of FIFO related interrupts are available to indicate when the FIFO is full.

A number of general-purpose inputs/outputs (GPIOs) are available and controlled using the AFE sequencer. The AFE sequencer allows cycle accurate control of multiple external sensor devices.

The AD5940/AD5941 operate from a 2.8 V to 3.6 V supply and are specified over a temperature range of −40°C to +85°C. The AD5940 is packaged in a 56-lead, 3.6 mm × 4.2 mm WLCSP. The AD5941 is packaged in a 48-lead LFCSP.

APPLICATIONS

• Electrochemical measurements
• Electrochemical gas sensors
• Potentiostat/amperometric/voltammetry/cyclic voltammetry
• Bioimpedance applications
  
  • Skin impedance
  • Body impedance
• Continuous glucose monitoring
• Battery impedance

The AD8233 is an integrated signal conditioning block for electrocardiogram (ECG) and other biopotential measurement applications. It is designed to extract, amplify, and filter small biopotential signals in the presence of noisy conditions, such as those created by motion or remote electrode placement. This design allows an ultralow power analog-to-digital converter (ADC) or an embedded microcontroller to easily acquire the output signal.

The AD8233 implements a two-pole, high-pass filter for eliminating motion artifacts and the electrode half cell potential. This filter is tightly coupled with the instrumentation amplifier architecture to allow both large gain and high-pass filtering in a single stage, thereby saving space and cost.

An uncommitted operational amplifier enables the AD8233 to create a three-pole, low-pass filter to remove additional noise. The user can select the frequency cutoff of all filters to suit different types of applications.

To improve the common-mode rejection of the line frequencies in the system and other undesired interferences, the AD8233 includes a right leg drive (RLD) amplifier for driven electrode applications. The AD8233 includes a fast restore function that reduces the duration of the otherwise long settling tails of the high-pass filters. After an abrupt signal change that rails the amplifier (such as a leads off condition), the AD8233 automatically adjusts to a higher filter cutoff. This feature allows the AD8233 to recover quickly, and therefore, to take valid measurements soon after connecting the electrodes to the subject.

The AD8233 is available in a 2 mm × 1.7 mm, 20-ball WLCSP package and a 150 μm thin die for height constrained applications. Performance is specified from 0°C to 70°C and is operational from −40°C to +85°C.

Applications

• Fitness and activity heart rate monitors
• Portable ECG
• Wearable and remote health monitors
• Gaming peripherals
• Biopotential signal acquisition, such as EMG or EEG

Employing a new circuit technology, these low cost amplifiers offer zero input crossover distortion (excellent PSRR and CMRR performance) and very low bias current, while operating with a supply current of less than 10 μA per amplifier.

This combination of features makes the ADA4505-x amplifiers ideal choices for battery-powered applications because they minimize errors due to power supply voltage variations over the lifetime of the battery and maintain high CMRR even for a rail-to-rail op amp.

Remote battery-powered sensors, handheld instrumentation and consumer equipment, hazard detectors (for example, smoke, fire, and gas), and patient monitors can benefit from the features of the ADA4505-x amplifiers.

The ADA4505-x family is specified for both the industrial temperature range (−40°C to +85°C) and the extended industrial temperature range (−40°C to +125°C). The ADA4505-1 single amplifier is available in a tiny 5-lead SOT-23. The ADA4505-2 dual amplifier is available in a standard 8-lead MSOP and a 8-ball WLCSP. The ADA4505-4 quad amplifier is available in a 14-lead TSSOP and a 14-ball WLCSP.

The ADA4505-x family is a member of a growing series of zero crossover op amps offered by Analog Devices, Inc., including the AD8506/AD8508, which also operate from a single 1.8 V to 5 V power supply or from dual ±0.9 V to ±2.5 V power supplies.

Applications

• Pressure and position sensors
• Remote security
• Medical monitors
• Battery-powered consumer equipment
• Hazard detectors

ADT7422 представляет собой высокоточный цифровой датчик температуры с интерфейсом I²C, разработанный в соответствии со спецификациями клинической термометрии, основанными на стандартах ASTM E1112, требования которых должны соблюдаться после пайки на печатную плату.

В состав ADT7422 входит встроенный источник опорного напряжения, определяемого шириной запрещённой зоны (бандгап), датчик температуры и прецизионный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Выходным сигналом ADT7422 является 16-битное значение температуры с разрешением 0,0078 °C и точностью до ±0,1 °C при измерении в диапазоне температур от 25 °C до 50 °C, при этом после процесса его напайки на печатную плату нет необходимости в его калибровки.

Во время работы при напряжении питания 3,0 В средний потребляемый ток питания, как правило, составляет 210 мкА. ADT7422 имеет режим отключения, в котором устройство находится в выключенном состоянии, и ток в данном режиме составляет, как правило, 2,0 мкА при напряжении питания 3,0 В. ADT7422 рассчитан на работу в диапазоне температур от -40 °C до +125 °C.

Линии A0 и A1 предназначены для выбора адреса и обеспечивают четыре возможных варианта адреса на шине I²C для ADT7422. Линия CT является выходом с открытым стоком, сигнал которого переходит в состояние логической единицы, когда температура превышает программируемый предел критической температуры. Линия INT также является выходом с открытым стоком, сигнал которого переходит в состояние логической единицы, когда температура превышает программируемый предел. Линии INT и CT могут работать в режимах компаратора и прерывания.

Основные характеристики продукта

1. Не требуются процедуры по калибровке или коррекции температуры, которые должны выполняться пользователем
2. Низкое энергопотребление
3. Долговременная стабильность и высокая надежность
4. Высокая точность, требуемая для промышленного, контрольно-измерительного и медицинского оборудования

Области применения

• Системы мониторинга показателей здоровья
• Медицинское оборудование
• Может выступать в качестве замены резистивного датчика температуры (RTD) и термистора
• Транспортировка и хранение продуктов питания
• Компенсация холодного спая термопары
• Системы мониторинга параметров окружающей среды и системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха
• Системы контроля температуры лазерных диодов

The ADP5360 combines one high performance linear charger for a single lithium-ion (Li-Ion)/lithium-polymer (Li-Poly) battery with a programmable, ultralow quiescent current fuel gauge and battery protection circuit, one ultralow quiescent buck, one buck boost switching regulator, and a supervisory circuit that can monitor output voltage.

The ADP5360 charger operates at up to 6.8 V to prevent USB bus spiking during disconnect or connect scenarios.

The ADP5360 features an internal isolation field effect transistor (FET) between the linear charger output and the battery node. The full battery protection features are activated when the device is in the battery overcharge and overdischarge fault conditions.

The ADP5360 fuel gauge uses a voltage-based algorithm with an adaptive filter limitation solution. The fuel gauge reports real-time battery state of charge (SOC) for the rechargeable Li-Ion battery with ultralow quiescent current.

The ADP5360 buck regulator operates at 1.0 MHz switching frequency in forced pulse-width modulation (FPWM) mode. In hysteresis mode, the regulator achieves excellent efficiency at a low output power.

The ADP5360 buck boost regulator only operates in hysteresis mode and outputs a voltage less than or greater than the battery voltage.

The ADP5360 supervisory circuits monitor the regulator output voltage and provide a power-on reset signal to the system. A watchdog timer and an external pushbutton can reset the microprocessor.

The I²C-compatible interface enables the programmability of all battery charging parameters, the protection threshold, the buck output voltage, and the status bit readback.

The ADP5360 operates over the −40°C to +85°C junction temperature range and is available in a 32-ball, 2.56 mm × 2.56 mm wafer level chip scale package (WLCSP).

Applications

• Rechargeable Li-Ion/Li-Poly battery-powered devices
• Portable consumer devices
• Portable medical devices
• Wearable devices

The circuit shown in Figure 1 provides a completely isolated connection between the popular USB bus and an RS-485 or RS-232 bus. Both signal and power isolation ensures a safe USB device interface to an industrial bus or debug port, allowing TIA/EIA-485/232 bus traffic monitoring and the convenience of sending and receiving commands to and from a PC that is not equipped with an RS-485 or RS-232 port.

Isolation in this circuit increases system safety and robustness by providing protection against electrical line surges and breaks the ground connection between bus and digital pins, thereby removing possible ground loops within the system.

The TIA/EIA RS-485 bus standard is one of the most widely used physical layer bus designs in industrial and instrumentation applications. RS-485 offers differential data transmission between multiple systems, often over very long distances. RS-485 communication offers additional robustness through differential communication when compared to the RS-232 standard.

TIA/EIA RS-232 devices are widely used in industrial machines, networking equipment, and scientific instruments. In modern personal computers, which are often used for debugging network problems, USB has displaced RS-232 from most of its peripheral interface roles, and many computers do not come equipped with RS-232 ports. The circuit in Figure 1 offers a robust and compact solution for both RS-232 and RS-485 interfaces.

The circuit shown in Figure 1 is an ultralow power, multichannel data acquisition system that can be powered by a photovoltaic (PV) cell or thermoelectric generator (TEG). The circuit uses the industry’s lowest power, multichannel, 12-bit successive approximation analog-to-digital converter (SAR ADC), the AD7091R-5, along with an efficient energy harvesting circuit based on the ADP5090 boost regulator. The ADC has a typical power consumption of 100 μW on a single 3 V supply when sampling at 22 kSPS. Typical signal-to-noise ratio (SNR) is 68 dB for a 1 kHz input signal.

The low power consumption and small form factor make this combination of devices ideally suited for portable low power applications, particularly for wearable and self-powered devices.

The circuit in Figure 1 is a complete single-supply, low noise LED current source driver controlled by a 16-bit digital-to-analog converter (DAC). The system maintains ±1 LSB integral and differential nonlinearity and has a 0.1 Hz to 10 Hz noise of less than 45 nA p-p for a full-scale output current of 20 mA.

The innovative output driver amplifier eliminates the crossover nonlinearity normally associated with most rail-to-rail input op amps that can be as high as 4 LSBs or 5 LSBs for a 16-bit system.

This industry-leading solution is ideal for pulse oximetry applications where 1/f noise superimposed on the LED brightness levels affects the overall accuracy of the measurement.

Total power dissipation for the three active devices is less than 20 mW typical when operating on a single 5 V supply.

The AD5933 and AD5934 are high precision impedance converter system solutions that combine an on-chipprogrammable frequency generator with a 12-bit, 1 MSPS (AD5933) or 250 kSPS (AD5934) analog-to-digital converter (ADC). The tunable frequency generator allows an external complex impedance to be excited with a known frequency.

The circuit shown in Figure 1 yields accurate impedance measurements extending from the low ohm range to several hundred kΩ and also optimizes the overall accuracy of the AD5933/AD5934.

The circuit shown in Figure 1 is an ultralow, power data acquisition system using the AD7091R 12-bit, 1 MSPS SAR ADC and an AD8031 op amp driver with a total circuit power dissipation of less than 5 mW on a single 3 V supply.

The low power consumption and small package size of the selected components makes this combination an industryleading solution for portable battery-operated systems where power dissipation, cost, and size play a critical role.

The AD7091R requires typically only 350 μA of supply current on the V_DD pin at 3 V, which is significantly lower than any competitive ADC offering currently available in the market. This translates to ~1 mW typical power dissipation.

The AD8031 requires only 800 μA of supply current, that results in 2.4 mW typical power dissipation at 3 V supply, making the total power dissipation of the system less than 5 mW when sampling at 1 MSPS with a 10 kHz analog input signal.

Сочетание компонентов, представленное на рисунке 1, представляет собой схему сверхмалопотребляющего ключа питания нагрузки, который замыкается при обнаружении движения от сигнала трехосевого акселерометра и управляет током нагрузки до 1,1 А. Данная схема идеально подходит для применения в устройствах, которые должны работать максимально долго на одном заряде батареи. Когда ключ разомкнут, потребляемый от батареи ток составляет менее 300 нА, а когда ключ замкнут, он потребляет меньше 3 мкА. Схема представляет собой современное решение с низким энергопотреблением для обнаружения движения, оптимальное для применения в беспроводных датчиках, измерительных устройствах, домашних медицинских приборах и других портативных устройствах.

Трехосевой акселерометр управляет включением ключа питания нагрузки, отслеживая ускорение по трем осям, при этом он замыкает или размыкает ключ в зависимости от наличия или отсутствия движения.

ADXL362 представляет собой трехосевой акселерометр со сверхнизким энергопотреблением, который потребляет менее 100 нА в режиме пробуждения. В отличие от акселерометров, в которых используются периоды включения для достижения низкого энергопотребления, ADXL362 не искажает входные сигналы из-за субдискретизации, он осуществляет непрерывную дискретизацию на всех скоростях передачи данных. Также данный акселерометр содержит встроенный 12-разрядный датчик температуры, работающий с точностью до ±0,5°.

ADXL362 обеспечивает разрешение выходного сигнала 12 бит и имеет три рабочих диапазона: ±2 g, ±4 g и ±8 g. Его диапазон рабочих температур составляет от -40 °C до +85 °C. При работе в устройствах, где желателен уровень шума менее 480 мкg/√Гц, можно выбрать любой из двух режимов, обеспечивающих меньший уровень шума (до 120 мкg/√Гц), при минимальном увеличении тока питания.

ADP195 представляет ключ питания нагрузки, рассчитанный на работу в диапазоне напряжений от 1,1 В до 3,6 В и имеющий защиту от обратного протекания тока в направлении от выхода к входу. Устройство содержит P-канальный полевой МОП-транзистор с низким сопротивлением в проводящем состоянии, который обеспечивает протекание постоянного тока нагрузки более 1,1 А и минимизирует потери мощности.

Принцип работы ADXL362

ADXL362 представляет собой трехосевую систему измерения ускорения со сверхнизким энергопотреблением, которая способна измерять динамическое ускорение (возникающее в результате движения или удара), а также статическое ускорение (то есть гравитацию).

Движущимся компонентом датчика является поликремниевая структура, представляющая собой прошедшую микрообработку поверхностную структуру, также называемую лучом, которая создана на кремниевой пластине. Пружины из поликремния удерживают структуру над поверхностью пластины и обеспечивают сопротивление силам ускорения.

Степень изгиба структуры измеряется с помощью дифференциальных конденсаторов. Каждый конденсатор состоит из независимых неподвижных пластин и пластин, прикрепленных к движущейся массе. Любое ускорение приводит к отклонению луча и разбалансировке дифференциального конденсатора, вследствие чего на выходе датчика генерируется сигнал, амплитуда которого пропорциональна ускорению. Для определения величины и полярности ускорения используется фазочувствительная демодуляция.

Режимы работы

ADXL362 имеет три основных режима работы: режим ожидания, режим измерения и режим пробуждения:

• Перевод ADXL362 в режим ожидания приостанавливает процесс измерения и снижает уровень потребления тока до 10 нА. Любые ожидающие обработки данные или прерывания сохраняются, однако новая информация в данном режиме не обрабатывается. В режиме ожидания на ADXL362 подается питание, при этом все функции датчика отключены.

• Режим измерения представляет собой нормальный рабочий режим ADXL362. В этом режиме данные ускорения непрерывно считываются, и акселерометр потребляет менее 3 мкА при работе во всем диапазоне выходных скоростей данных до 400 Гц при напряжении питания 2,0 В. Все описанные функции доступны при работе в этом режиме. ADXL362 имеет специальную возможность непрерывно выводить данные с частотой от минимальной 12,5 Гц до максимальной 400 Гц, потребляя при этом ток менее 3 мкА, поскольку является акселерометром со сверхнизким энергопотреблением. Субдискретизация и наложение спектров не свойственны ADXL362, поскольку он непрерывно дискретизирует сигналы во всей полосе пропускания своего датчика на всех скоростях передачи данных.

• Режим пробуждения идеально подходит для осуществления простого обнаружения движения (его присутствия или отсутствия) при чрезвычайно низком энергопотреблении (270 нА при напряжении питания 2,0 В). Режим пробуждения особенно полезен для реализации ключа, замыкаемого или размыкаемого при наличии или отсутствии движения, что позволяет остальную часть системы оставлять в отключенном состоянии до тех пор, пока не будет обнаружена какая-либо физическая активность. Режим пробуждения позволяет уменьшить потребление тока до очень низкого уровня, при этом обеспечивая измерение ускорения только 6 раз в секунду с целью определения наличия движения. В режиме пробуждения доступны все функции акселерометра, за исключением таймера активности. В данном режиме также имеется доступ ко всем регистрам, и от акселерометра можно получать данные в реальном времени.

В оценочном программном обеспечении CN0274 используется режим пробуждения ADXL362. То есть ADXL362 находится в спящем режиме, пока не обнаружит движение, и в этот момент он перейдет в режим измерения.

Баланс между энергопотреблением и шумовыми характеристиками

ADXL362 имеет несколько вариантов снижения шума за счет небольшого увеличения потребления тока.

Шумовые характеристики ADXL362 в нормальном режиме работы, составляющие, как правило, 7 младших значащих разрядов при работе с полосой пропускания 100 Гц, оптимальны для различных случаев применения в зависимости от полосы пропускания и желаемого разрешения. Для случаев, когда необходим более низкий уровень шума, ADXL362 имеет два режима работы, обеспечивающие снижение шума, но при этом повышается потребляемый ток.

В таблице 1 представлены значения потребляемого тока и плотности шума, полученные в нормальном режиме работы и в двух режимах, обеспечивающих низкие уровни шума при напряжении питания 3,3 В.

В оценочном программном обеспечении CN0274 используется нормальный режим работы ADXL362.

Обнаружение движения

ADXL362 имеет встроенную логическую цепь, которая определяет наличие физической активности (когда ускорение становится выше определенного порога) и состояние бездействия (т.е. отсутствие ускорения выше определенного порога).

Факт обнаружения события такой активности или бездействия отображается в регистре состояния и также может быть использован для генерации прерывания. Кроме того, статус активности устройства, то есть движется оно или остается неподвижным, отображается с помощью бита AWAKE.

Обнаружение активности и бездействия можно использовать, когда акселерометр находится либо в режиме измерения, либо в режиме пробуждения.

Обнаружение активности

Событие активности обнаруживается, когда ускорение остается выше указанного порога в течение указанного пользователем периода времени. Акселерометр может регистрировать два события обнаружения активности: абсолютное и опорное.

• При абсолютном обнаружении активности дискретизированные значения ускорения сравниваются с пороговым значением, установленным пользователем, чтобы определить наличие движения. Например, если установлен порог 0,5 g, а ускорение по любой оси составляет 1 g дольше, чем время активности, заданное пользователем, статус наличия активности подтверждается. Во многих случаях применения предпочтительно, чтобы обнаружение активности основывалось не на абсолютном пороге, а на отклонении от опорной точки или ориентации. Это особенно полезно, поскольку устраняет влияние на процесс обнаружения активности статического ускорения свободного падения 1 g, вызванного действием силы тяжести. Когда акселерометр неподвижен, его выходной сигнал может достигать 1 g, даже когда он остается неподвижным на одном месте. При абсолютном обнаружении активности, если порог установлен менее 1 g, в этом случае активность обнаруживается немедленно.
• При опорном обнаружении активности активность обнаруживается, когда дискретизированные значения ускорения поддерживаются, по крайней мере, равными заданному пользователем значению выше внутреннего опорного значения в течение заданного пользователем количества времени. Опорное значение рассчитывается при включенной функции обнаружения активности, и первое полученное дискретизированное значение (выборка) используется в качестве опорной точки. Активность обнаруживается только тогда, когда ускорение существенно отклоняется от этой начальной ориентации. Опорное обнаружение активности позволяет с очень высокой точностью обнаруживать события активности, что дает возможность выявлять даже самые незначительные движения.

Оценочное программное обеспечение CN0274 использует опорный режим работы при обнаружении активности.

Обнаружение бездействия

Событие бездействия обнаруживается, когда ускорение остается ниже определенного порога в течение определенного времени. Акселерометр может регистрировать два события обнаружения бездействия: абсолютное и опорное.

• При абсолютном обнаружении бездействия дискретизированные значения ускорения сравниваются с пороговым значением, установленным пользователем, в течение заданного пользователем времени, чтобы определить отсутствие движения.
• При опорном обнаружении бездействия дискретизированные значения ускорения сравниваются с определенным пользователем опорным значением в течение определенного пользователем периода времени. Когда компонент впервые переходит в состояние пробуждения, первое полученное дискретизированное значение (выборка) используется в качестве опорной точки, и относительно ее устанавливается порог. Если ускорение остается в пределах порогового значения, акселерометр переходит в состояние сна. Если значение ускорения выходит за пределы порогового значения, эта точка затем используется в качестве новой опорной точки, и пороговые значения теперь устанавливаются относительно этой новой точки.

Оценочное программное обеспечение CN0274 использует опорный режим работы при обнаружении бездействия.

Взаимосвязь обнаружения активности с обнаружением бездействия

Функции обнаружения активности и бездействия могут использоваться одновременно и обрабатываться самостоятельно хост-процессором, или их можно настроить для взаимодействия друг с другом несколькими способами:

• В режиме по умолчанию включены функции обнаружения активности и бездействия, и все прерывания должны обрабатываться хост-процессором; то есть процессор должен прочитать значения при каждом прерывании, прежде чем оно будет очищено и может быть использовано снова.
• В связанном режиме функции обнаружения активности и бездействия взаимосвязаны друг с другом, поэтому в любой момент времени может быть активна только одна из функций. Как только активность будет обнаружена, устройство будет считаться движущимся или активным, при этом процесс обнаружения активности завершится: в качестве следующего события ожидается бездействие, в связи с чем будет активирована только функция обнаружения бездействия. При обнаружении бездействия устройство будет считаться неподвижным или спящим. После этого в качестве следующего события будет предполагаться активность, в связи с чем активной будет только функция обнаружения активности. В данном режиме хост-процессор должен обрабатывать каждое прерывание, прежде чем будет разрешено следующее.
• В циклическом режиме механизм обнаружения движения работает, как было описано выше в пункте, посвященном связанному режиму. Но в данном режиме не требуется, чтобы прерывания обрабатывались хост-процессором. Эта конфигурация упрощает реализацию обычно используемого механизма обнаружения движения и повышает энергоэффективность за счет снижения количества энергии, используемой для связи по шине.
• При включении автоматического режима сна в связанном режиме или циклическом режиме устройство автоматически переходит в режим пробуждения при обнаружении бездействия и повторно входит в режим измерения при обнаружении активности.

В оценочном программном обеспечении CN0274 для демонстрации функциональности ADXL362 используются автоматический режим сна и циклический режим.

Бит AWAKE

Бит AWAKE является битом состояния, который указывает на то, в каком режиме находится ADXL362: активном или спящем. Устройство находится в активном режиме, когда оно обнаружило состояние активности, и устройство находится в спящем режиме, когда оно обнаружило состояние бездействия.

Сигнал пробуждения может быть выведен на линию INT1 или INT2 и, таким образом, может использоваться в качестве выхода состояния для подключения или отключения цепи питания к или от последующих схем в зависимости от состояния пробуждения акселерометра. Эта конфигурация, используемая в сочетании с циклическим режимом, позволяет реализовать простой автономный ключ, замыкаемый при обнаружении движения.

Если время включения последующей схемы является приемлемым, такой ключ, замыкаемый при обнаружении движения, может значительно сократить энергопотребление на уровне системы, благодаря устранению необходимости в потреблении тока остальной частью устройства в режиме ожидания. Такой ток в режиме ожидания зачастую может превышать полный рабочий ток ADXL362.

Прерывания

Некоторые из встроенных функций ADXL362 могут генерировать прерывания, чтобы предупреждать хост-процессор о переходе в определенные состояния.

Сигналы прерываний могут выводиться на любую (или обе) из двух специальных выходных линий INT1 и INT2, разрешение на это дается за счет установки соответствующих битов в регистрах INTMAP1 и INTMAP2. Все функции можно использовать одновременно. Если на один вывод назначено несколько прерываний, комбинация прерываний по ИЛИ будет определять состояние вывода.

Если на линию прерывания не назначены никакие функции, эта линия автоматически настраивается на работу в высокоимпедансном состоянии. Линии также переводятся в это состояние при сбросе.

При обнаружении определенного состояния линия, на которую назначено прерывание по обнаружению такого состояния, активируется. По умолчанию линии прерывания в активном состоянии выдают сигнал высокого логического уровня (логической единицы). Однако эту настройку можно изменить на активный низкий логический уровень (логический ноль на выходе), установив бит INT_LOW для определенной линии в соответствующем регистре INTMAP.

Оценочное программное обеспечение CN0274 настраивает ADXL362 таким образом, что при обнаружении активности на выходе линии INT1 будет присутствовать сигнал высокого логического уровня, а при обнаружении бездействия на линии INT1 будет присутствовать сигнал низкого логического уровня.

Результаты испытаний

Все испытания проводились с использованием плат EVAL-CN0274-SDPZ и EVAL-SDP-CS1Z.

Проверка функциональности испытуемого компонента осуществлялась при настройке порога обнаружения активности на 0,5 g, порога обнаружения бездействия на 0,75 g и количества выборок при бездействии на 20. При обнаружении активности, чтобы пересечь порог, требуется только одно дискретизированное значение ускорения по любой из осей.

Начальное положение схемы должно быть таким, чтобы аккумуляторная батарея прилегала к столу и печатную плату можно медленно повернуть на 90° в любом направлении, в результате чего ускорение будет пересекать пороговое значение по мере его приближения к исходной ориентации.

На рисунке 2 показан снимок экрана при работе оценочного программного обеспечения CN0274, когда ADXL362 изначально находится в режиме сна в ожидании активности. Затем, когда значение одиннадцатой выборки (11) пересекает пороговое значение, ADXL362 переходит в активное состояние и ожидает, когда возникнет состояние бездействия. Пороговые значения изменяются, что является свидетельством того, что устройство теперь ожидает бездействия.

Для лучшей наглядности графики значений ускорения по осям X и Z были отключены с помощью элементов переключения, расположенных над диаграммой.

Выходной сигнал ADP195 или сигнал на выходе самой линии прерывания измерялся с помощью цифрового мультиметра. Когда ADXL362 находится в активном состоянии, сигнал прерывания переходит в высокий логический уровень и переводит в высокий логический уровень линию EN ключа ADP195, который, в свою очередь, переводит в низкий логический уровень сигнал на затворе полевого МОП-транзистора, в результате чего ключ замыкается, подключая любую последующую схему к источнику питания. И наоборот, когда ADXL362 находится в спящем режиме, прерывание переводит сигнал на линии EN ключа ADP195 в низкий логический уровень, что, в свою очередь, переводит сигнал на затворе полевого МОП-транзистора в высокий логический уровень, приводя к размыканию ключа.

Советы по маршрутизации печатной платы

В любой схеме, где необходимо обеспечить высокую точность, важно учитывать расположение дорожек источника питания и контуров заземления на плате. На печатной плате цифровая и аналоговая части должны быть максимально изолированы друг от друга. Печатная плата для данной системы представляет собой 4-слойную плату со слоями заземляющей поверхности большой площади и областями питания. Для получения более подробной информации о маршрутизации и организации контуров заземления ознакомьтесь с руководством MT-031, а для получения информации о методах организации гальванической развязки ознакомьтесь также с руководством MT-031.

Источник, обеспечивающий питание ADXL362, следует гальванически развязать с помощью конденсаторов с емкостями 1 мкФ и 0,1 мкФ, чтобы должным образом подавить шум и уменьшить пульсации. Эти конденсаторы нужно установить как можно ближе к устройству. Для организации любой высокочастотной развязки рекомендуется использовать керамические конденсаторы.

Дорожки линий питания должны быть как можно шире, чтобы эти дорожки имели как можно меньший импеданс, при этом бы также уменьшилось влияние скачков напряжения на линии питания. Экранируйте линии передачи тактовых сигналов и другие линии передачи цифровых сигналов, характеризующихся быстрым переключением логических состояний, от других частей платы с помощью организации контуров заземления цифровой части схемы. Фотография печатной платы представлена на рисунке 3.

Полный пакет поддержки процесса разработки для этого руководства по схемотехническому проектированию можно найти на сайте www.analog.com/CN0274-DesignSupport.

The universal serial bus (USB) is rapidly becoming the standard interface for most PC peripherals. It is displacing RS-232 and the parallel printer port because of superior speed, flexibility, and support of device hot swap. There has been a strong desire on the part of industrial and medical equipment manufacturers to use the bus as well, but adoption has been slow because there has not been a good way to provide the isolation required for connections to machines that control dangerous voltages or low leakage defibrillation proof connections in medical applications.

The ADuM4160 is designed primarily as an isolation element for a peripheral USB device. However, there are occasions when it is useful to isolate a host device. Several issues must be addressed to use the ADuM4160 for this application. Whereas the buffers on the upstream and downstream sides of the ADuM4160 are the same and capable of driving a USB cable, the downstream buffers must be capable of adjusting speed to a full or low speed peripheral that is connected to it.

Unlike the case of building a dedicated peripheral interface where the speed is known and not changed, host applications must adapt. The ADuM4160 is intended to be hardwired to a single speed via pins; therefore, it works when the peripheral plugged into its downstream side is the correct speed, but it fails when the wrong speed peripheral is attached. The best way to address this is to combine the ADuM4160 with a hub controller.

The upstream side of a hub controller can be thought of as a standard fixed speed peripheral port that can be easily isolated with the ADuM4160, whereas the speed of the downstream ports is handled by the hub controller. The hub controller converts peripherals of different speeds to match the upstream port speed. The circuit shown in Figure 1 shows how a two-port hub chip can be used to isolate two downstream host ports in a design that can be made fully compliant with the USB specification.

The ADuM4160 provides an inexpensive and easy to implement isolation buffer for medical and industrial peripherals. The challenge that must be met is to use this to create a fully com-pliant host port by pairing the ADuM4160 with a hub chip. As with isolating any peripheral device, the services that the ADuM4160 and hub provide are as follows:

1. Directly isolates, in the upstream, the USB D+ and D− lines of a hub chip, allowing the hub to manage the downstream host port activity.
2. Implements an automatic scheme for data flow of control that does not require external control lines.
3. Provides medical grade isolation.
4. Allows creation of one or more host ports that meet the USB-IF certification standards.
5. Supports full speed signaling rates.
6. Supports flexible power configurations.

The goal of the application circuit is to isolate a hub as if it were a full speed peripheral device. The hub or host function requires that 2.5 W of power be available to each downstream port. Power to run the downstream side of the isolator and power the hub and ports is provided as part of the solution. The application circuit is typical of many medical and industrial applications.

The universal serial bus (USB) is rapidly becoming the standard interface for most PC peripherals. It is displacing RS-232 and the parallel printer port because of superior speed, flexibility, and support of device hot swap. There has been a strong desire on the part of industrial and medical equipment manufacturers to use this bus as well, but adoption has been slow because there has not been a good way to provide the isolation required for connections to machines that control dangerous voltages or low leakage defibrillation proof connections in medical applications.

The ADuM4160 provides an inexpensive and easy to implement isolation buffer for medical and industrial peripherals. The challenges that need to be met are:

1. Isolate directly in the USB D+ and D− lines allowing the use of existing USB infrastructure in microprocessors.
2. Implement an automatic scheme for data flow of control that does not require external control lines.
3. Provide medical grade isolation.
4. Allow a complete peripheral to meet the USB-IF certifi-cation standards.
5. Support full speed (12 Mbps) and low speed (1.5 Mbps) signaling rates.
6. Support flexible power configurations.

The circuit shown in Figure 1 isolates a peripheral device that already supports a USB interface. Because the peripheral is not explicitly defined in this circuit, power to run the secondary side of the isolator has been provided as part of the solution. If the circuit is built onto the PCB of a peripheral design, power could be sourced from the peripheral’s off line supply, a battery, or the USB cable bus power, depending on the needs of the application.

The application circuit shown is typical of many medical and industrial applications. 

The universal serial bus (USB) is rapidly becoming the standard interface for most PC peripherals. It is displacing RS-232 and the parallel printer port because of superior speed flexibility and support of device hot swap. There has been a strong desire on the part of industrial and medical equipment manufacturers to use the bus as well, but adoption has been slow because there has not been a good way to provide the isolation required for connections to machines that control dangerous voltages or low leakage defibrillation proof connections in medical applications.

The ADuM4160 is designed primarily as an isolation element for a peripheral USB device. However, there are occasions when it is useful to create an isolated cable function. Several issues must be addressed to use the ADuM4160 for this application. Whereas the buffers on the upstream and downstream sides of the ADuM4160 are the same and capable of driving a USB cable, the downstream buffers must be capable of adjusting speed to a full or low speed peripheral that is connected to it. The upstream connection must act like a peripheral, and the downstream connection must behave like a host.

Unlike the case of building a dedicated peripheral interface where the speed is known and not changed, host applications must adapt to detect whether a low or full speed device has been connected. The ADuM4160 is intended to be hardwired to a single speed via pins; therefore, it works when the peripheral plugged into its downstream side is the correct speed, but it fails when the wrong speed peripheral is attached. The best way to address this is to combine the ADuM4160 with a hub controller.

The upstream side of a hub controller can be thought of as a standard fixed speed peripheral port that can be easily isolated with the ADuM4160, whereas the downstream ports are all handled by the hub controller. However, in many cases, while it is not certifiable as fully USB compliant, a single speed cable is acceptable from a practical standpoint, especially if custom connectors are used so that it cannot be confused with a compliant device. The hub chip can be eliminated, and the design becomes very small and simple.

The ADuM4160 provides an inexpensive and easy way to implement an isolation buffer for medical and industrial peripherals. The challenge that must be met is to use this to create a bus-powered cable isolator by pairing the ADuM4160 with a small isolated dc-to-dc converter such as the ADuM5000. As with isolating any device, the services that the ADuM4160 provides are as follows:

1. Directly isolates, in the upstream, the USB D+ and D− lines of a cable.
2. Implements an automatic scheme for data flow of control that does not require external control lines.
3. Provides medical grade isolation.
4. Supports full speed or low speed signaling rates.
5. Supports isolated power delivery through the cable.

The goal of the application circuit shown in Figure 1 is to isolate a peripheral device that already implements a USB interface. It is not possible to make a fully compliant bus-powered cable because there are no 100% efficient power converters to transfer the bus voltage across the barrier. In addition, the quiescent current of the converter does not comply with the standby current requirements of the USB standard. This is all in addition to the speed detection limitations of the ADuM4160. What can be achieved is a fixed speed or switch-controlled speed cable that can supply a modest power to the downstream peripheral. However, it is a custom application that is not completely compliant with the USB standard.

The ADXL345 is a small, thin, low power, 3-axis accelerometer with high resolution (13-bit) measurement up to ±16 g. Digital output data is formatted as 16-bit twos complement and is accessible through either an SPI (3- or 4-wire) or I²C digital interface.

The ADXL345 is well suited for mobile device applications. It measures the static acceleration of gravity in tilt-sensing appli-cations, as well as dynamic acceleration resulting from motion or shock. Its high resolution (4 mg/LSB) enables measurement of inclination changes of about 0.25°. Using a digital output accelerometer such as the ADXL345 eliminates the need for analog-to-digital conversion, reducing system cost and real estate. Additionally, the ADXL345 includes a variety of built-in features. Activity/inactivity detection, tap/double-tap detection, and free-fall detection are all done internally with no need for the host processor to perform any calculations. A built-in 32-stage FIFO memory buffer reduces the burden on the host processor, allowing algorithm simplification and power savings. Additional system level power savings can be implemented using the built-in activity/inactivity detection and by using the ADXL345 as a “motion switch” to turn the whole system off when no activity is felt and on when activity is sensed again.

The ADXL345 communicates via I²C or SPI interface. The circuits described in this document demonstrate how to implement communication via these protocols.

The circuit shown in Figure 1 is a cost effective, low power, multichannel data acquisition system that is compatible with standard industrial signal levels. The components are specifically selected to optimize settling time between samples, providing 18-bit performance at channel switching rates up to approximately 750 kHz.

The circuit can process eight gain-independent channels and is compatible with both single-ended and differential input signals.

The analog front end includes a multiplexer, programmable gain instrumentation amplifier (PGIA); precision analog-to-digital converter (ADC) driver for performing the single-ended to differential conversion; and an 18-bit, 1 MSPS PulSAR^® ADC for sampling the signal on the active channel. Gain configurations of 0.4, 0.8, 1.6, and 3.2 are available.

The maximum sample rate of the system is 1 MSPS. The channel switching logic is synchronous to the ADC conversions, and the maximum channel switching rate is 1 MHz. A single channel can be sampled at up to 1 MSPS with 18-bit resolution. Channel switching rates up to 750 kHz also provide 18-bit performance. The system also features low power consumption, consuming only 240 mW at the maximum ADC throughput rate of 1 MSPS.

The circuit shown in Figure 1 is a 16-bit, 100 kSPS successive approximation analog-to-digital converter (ADC) system that has a drive amplifier that is optimized for a low system power dissipation of 7.35 mW for input signals up to 1 kHz and sampling rates of 100 kSPS.

This approach is highly useful in portable battery powered or multichannel applications, or where power dissipation is critical. It also provides benefits in applications where the ADC is idle most of the time between conversion bursts.

Drive amplifiers for high performance successive approximation ADCs are typically selected to handle a wide range of input frequencies. However, when an application requires a lower sampling rate, considerable power can be saved because reducing the sampling rate reduces the ADC power dissipation proportionally.

To take full advantage of the power saved by reducing the ADC sampling rate, a low bandwidth, low power amplifier is required. For instance, the 80 MHz ADA4841-1 op amp (12 mW at 10 V) is recommended for operation with the AD7988-1 16-bit successive approximation register (SAR) ADC (0.7 mW at 100 kSPS). The total system power dissipation including the ADR435 reference (4.65 mW at 7.5 V) is 17.35 mW at 100 kSPS.

For input bandwidths up to 1 kHz and sampling rates of 100 kSPS, the 3 MHz AD8641 op amp (2 mW at 10 V) offers excellent signal-to-noise ratio (SNR) and total harmonic distortion (THD) performance and reduces total system power from 17.35 mW to 7.35 mW, which is a 58% power savings at 100 kSPS.

This circuit is a highly integrated electrocardiogram (ECG) front end for use in battery powered patient monitoring applications.

Figure 1 shows a top level diagram of the physical connections in a typical 5-lead (four limb and one precordial chest lead) ECG measurement system, including features such as respiration and pace detection. The configuration is typical for portable telemetry ECG measurements or a minimum lead set from a line powered bedside instrument.

An ECG signal has a small amplitude of typically around 1 mV when measured on the surface of the skin. Important information about the health or other characteristics of the patient is stored within that small signal; therefore, requiring measurement sensitivity in the μV level. At the system level, various medical standards call for a maximum of 30 μV p-p noise; however, designers typically target less than this. As a result, when designing a solution suitable for system level requirements, all noise sources must be considered.

The noise performance of the ADAS1000 is specified across various different operating conditions. The power supply must be designed to ensure that it does not degrade the overall performance. Selection of the ADP151 linear regulator was based on its ultralow noise performance (9 μV rms typical, 10 Hz to 100 kHz), coupled with the power supply rejection of the ADAS1000, ensures that the noise of the ADP151 does not degrade the overall noise performance.

The circuit shown in Figure 1 is a high speed photodiode signal conditioning circuit with dark current compensation. The system converts current from a high speed silicon PIN photodiode and drives the inputs of a 20 MSPS analog-to-digital converter (ADC). This combination of parts offers spectral sensitivity from 400 nm to 1050 nm with 49 nA of photocurrent sensitivity, a dynamic range of 91 dB, and a bandwidth of 2 MHz. The signal conditioning circuitry of the system consumes only 40 mA of current from the ±5 V supplies making this configuration suitable for portable high speed, high resolution light intensity applications, such as pulse oximetry.

Other suitable applications for this circuit are as an analog opto-isolator. It can also be adapted to applications that require larger bandwidth and less resolution such as adaptive speed control systems.

This circuit note discusses the design steps needed to optimize the circuit shown in Figure 1 for a specific bandwidth including stability calculations, noise analysis, and component selection considerations.

The circuit in Figure 1 is a two-channel, bank isolated, wide bandwidth data acquisition (DAQ) system, implemented with a simultaneous sampling architecture using an analog-to-digital converter (ADC) per channel. The system achieves high channel density along with isolation between the bank and the digital backplane, all while delivering exceptional performance. The design also makes efficient use of isolation channels by configuring the ADCs in daisy-chain mode and utilizing an isolator product with a trimmed delay clock feature. Power generation is also simplified using an isolator with an integrated pulse width modulation (PWM) controller and transformer driver to perform dc-to-dc conversion across the isolation barrier. The system also includes many common features of a typical DAQ signal chain, including input circuit protection, programmable gain channels, high accuracy, and high performance.

The simultaneous sampling realizes multiple channels without sample rate limitations inherent in multiplexed DAQ signal chains. The analog front end (AFE) design is also simpler than the multiplexed option, because the settling performance requirements of the system are less demanding. Sampling occurs simultaneously for each channel, while sequential sampling systems have delays between channels.

Digital bank isolated DAQ designs provide protection for digital back end circuitry and reduce ground loop and common-mode interference between banks. They feature multiple DAQ signal chains per ground plane, and can be implemented with fewer digital isolation devices than channel-to-channel isolated systems.