Heat flux sensor measurement electronics system design for wearable electronics application

Abstract

In this thesis, the development process of instrumentation for a heat flux sensor in human measurement application is documented. The system includes amplification with adjustable gain for a low frequency signal in microvolt range, data conversion from analog to digital and data bus for saving and processing the data. The system was implemented using a SAR ADC with preceding instrumentation amplifier and an analog low-pass filter. A LTC6915 instrumentation amplifier was used for its good DC performance and large range of SPI programmable gain. Low-pass filter with Sallen-Key topology and Butterworth response was implemented using a LTC2066 operational amplifier. An OPA835 wide band operational amplifier was used as a SAR ADC driver. The SAR ADC is 14-bit ADS7056, which was selected for its small footprint and very low power consumption at the selected 120 Hz sampling rate. A temperature measurement was included using a LMT70 analog temperature sensor IC and another ADS7056 for the data conversion. The system is controlled by Atmel ATtiny87 microcontroller and the data is sent for processing and saving via I2C bus. A MAX14959 logic level shifter was included on the I2C bus to accomodate 3 V - 5 V logic levels. The analog amplifiers are powered from a 3.0 V ISL21010 low power voltage reference, the ADC reference is established with a 2.5 V REF3325 low power reference and digital supply is generated using a 3.0 V LP5907 regulator. The system is powered from 2032 sized rechargeable 3.6 V lithium battery. System calibration function was included to compensate for temperature drift of all circuit components. The circuit was fitted on two layer PCB and on stacked design with two PCBs. Performance of the final design was evaluated by measuring the offset voltage drift in 5 C to 50 C temperature range and noise performance was assessed by measuring and calculating ENOB of the system. The drift performance without system calibration was found to be within the specifications of the voltage references and with system calibration enabled, the drift was reduced to less than 1 LSB. The noise performance was found to be worse than expected with ENOB of approximately 11-bits for system gains < 512. Cause for the noise was deduced to be the signal routing extending to the ground plane in bottom layer of the PCB thus affecting the current paths in the ground plane. Also, the ADC driver was found to be unnecessary in the application adding to the noise further.

Opinnäytetyössä dokumentoidaan ihmisen mittaamiseen soveltuvan lämpövuoanturin liityntäelektroniikan suunnittelu. Järjestelmä koostuu mikrovoltti tasoisille tulosignaaleille soveltuvasta DC-vahvis-timesta, A/D-muuntimesta ja dataväylästä datan muokkaammista ja tallentamista varten. Toteutuksessa käytettiin instrumentointivahvistinta, aktiivista alipäästösuodinta ja SAR arkkitehtuurin A/D-muunninta. Instrumentointivahvistimeksi valittiin LTC6915 sen hyvien DC-spesifikaatioiden ja ohjelmallisesti säädettävän vahvistuksen perusteella. Alipäästösuodin toteutettiin Sallen-Key kytkentätopologiaa ja Butterworth vastetta käyttäen LTC2066 operaatiovahvistimella. Laajakaistainen OPA835 operaatiovahvistin valittiin A/D-muuntimen puskurivahvistimeksi. A/D-muuntimeksi valittiin 14-bittinen ADS7056 sen pienen fyysisen koon ja asetetulla 120 Hz näytteistystaajuudella saavutettavan erittäin pienen virran kulutuksen vuoksi. Kytkentään sisällytettiin lämpötilan mittaus käyttäen analogista mikropiirisensoria LMT70 ja toista ADS7056 A/D-muunninta LMT70-piirin lämpötilan funktiona muuttuvan lähtöjännitteen A/D-muunnokseen. Mikrokontrolleriksi valittiin Atmelin ATtiny87, jota käytetään A/D-muuntimien lukemiseen SPI väylästä ja datan edelleen lähettämiseen I2C väylälle. I2C väylään lisättiin myös MAX14595 logiikkatasomuunnin, joka mahdollistaa 3 V - 5 V logiikkatasojen käytön I2C väylään liitettävissä laitteissa. Käyttöjännitteet analogiavahvistimille luodaan 3.0 V ISL21010 jännitereferenssillä, A/D-muuntimen referenssinä käytetään 2.5 V REF3325 jännitereferenssiä ja digitaalisten piirien 3.0 V käyttöjännitteet toteutettiin LP5907 jänniteregulaattorilla. Teholähteenä toimii 3.6 V akku 2032 nappipariston koteloinnilla. Kytkentään toteutettiin kalibrointitoiminto, jolla kytkentäkokonaisuuden lämpötilan muutoksesta johtuva ryömintä voidaan kompensoida. Kytkentä toteuttiin kahdelle päällekäin asennettavalle kaksikerrospiirilevylle. Kytkennän suorituskyky todennettiin mittaamalla asettelujännitteiden ryömintä lämpötila-alueella 5 C - 50 C. Kytkennän kohina todennettiin mittaamalla ja laskemalla järjestelmän efektiivinen resoluutio (ENOB). Mitattu ryömintä ilman kalibrointitoi-mintoa todettiin olevan kytkennän komponenteille annettujen raja-arvojen sisällä ja kalibrointitoimintoa käyttämällä ryöminnän vaikutus saatiin eliminoitua kokonaan, eli alle 14-bitin resoluution. Efektiiviseksi resoluutioksi saatiin alle 512 vahvistuksilla noin 11-bittiä. Kohinan lähteeksi epäiltiin maatasoa, jota ei pystytty tiheän komponenttisijoittelun vuoksi pitämään riittävän yhtenäisenä. A/D-muuntimen puskurivahvistin todettiin sovelluksen taajuusalueella tarpeettomaksi.