傳感器模擬前端

單個(gè)傳感器模擬前端（AFE）不同于集所有功能與一身的“模擬FPGA”。“模擬FPGA”這種芯片有太多的弊端，因?yàn)樾枰笠?guī)模的封裝，芯片將會(huì)非常之大，這導(dǎo)致了昂貴的價(jià)格及大量的電能消耗。所以，它不符合設(shè)計(jì)人員的要求。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司開辟了新的途徑，為特定測(cè)量任務(wù)開發(fā)了量身定制的獨(dú)特集成電路，如測(cè)量/檢測(cè)溫度、氣體、壓力、pH值、幾種醫(yī)療計(jì)數(shù)、重量等。每一個(gè)與眾不同的集成電路都包含了針對(duì)具體測(cè)量任務(wù)的確切合適的功能，而沒有任何不必要的電子元件（ballast）。在其測(cè)量的類別（如溫度）中，可以非常容易地用一個(gè)特定的器件匹配不同的傳感器（這將在本文的后面詳細(xì)解釋）。

前兩款傳感器AFE器件

就在幾個(gè)月前，有兩款傳感器AFE系列的器件推出：分別為用于溫度傳感器及低速橋型配置測(cè)量的LMP91000和用于氣體傳感器的LMP90100。

LMP90100

LMP90100提供了一個(gè)高度集成的8通道輸入多路復(fù)用器的組合，是一個(gè)帶有可調(diào)增益系數(shù)和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括電流源、電壓基準(zhǔn)和其他功能。圖1顯示了該集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：用戶可以根據(jù)傳感器和測(cè)量任務(wù)匹配圖中的所有彩色塊。

圖1 ：LMP90100內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可以開啟或關(guān)閉的其他功能包括：傳感器可監(jiān)控檢查傳感器的短路或斷開（開路故障），或偏移校準(zhǔn)和放大。這些功能完全是在后臺(tái)執(zhí)行的，不會(huì)對(duì)輸出數(shù)據(jù)流產(chǎn)生任何影響。此外，在外部時(shí)鐘出現(xiàn)故障的情況下，可以利用時(shí)鐘管理電路自動(dòng)切換到使用內(nèi)部時(shí)鐘供電。

由于復(fù)用器提供了7個(gè)單端輸入或4個(gè)差分輸入，該器件允許連接更多的傳感器，這可能要基于不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這方面一個(gè)很好的例子是，將一個(gè)熱電組件與位于該熱電組件下方的模擬溫度傳感器連接組合在一起，其中的溫度傳感器用于冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。用兩個(gè)熱電組件加兩個(gè)模擬傳感器，或者加兩個(gè)三線測(cè)量電阻或三個(gè)熱敏電阻，也可以直接連接到這個(gè)多功能組件。這樣傳感器管理功能能夠根據(jù)需要不斷檢查傳感器。同時(shí)，管理電路采用了目前沒有使用的測(cè)量方式，即始終監(jiān)控單一傳感器，以避免測(cè)量數(shù)據(jù)流的任何干擾。

兩個(gè)匹配的電流源可以利用步長(zhǎng)（step）為1mA的最大電流來調(diào)節(jié)，允許使用阻性傳感器。

設(shè)計(jì)工程師能夠以二進(jìn)制格式，在1～128之間調(diào)整隨后的放大器級(jí)增益。當(dāng)增益高于16時(shí)，緊接第一個(gè)放大器級(jí)之后的緩沖器可改善總的測(cè)量效果。但是，這個(gè)緩沖器會(huì)消耗額外的功率。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體應(yīng)用來衡量是否需要消耗額外的功率來改善測(cè)量結(jié)果。

24位Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率是為溫度測(cè)量而優(yōu)化的，在1.68和214.65樣本/s之間。每當(dāng)采樣率低于13.42時(shí)，芯片可保證無論是在50Hz或60Hz都不會(huì)出現(xiàn)失真。設(shè)計(jì)工程師可以單獨(dú)調(diào)整每個(gè)通道的采樣率。所提供的具體值對(duì)單端操作均有效。如果使用差分通道，設(shè)計(jì)人員要注意采樣率是通過差分通道劃分的。利用兩個(gè)差分通道，最大采樣率會(huì)因此達(dá)到214.65/2=107.33。用4個(gè)差分通道的采樣率將因此達(dá)到53.6625轉(zhuǎn)換次/s。

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LMP91000

LMP91000是一個(gè)電流消耗非常低的純模擬解決方案，這使其特別適合便攜式應(yīng)用。LMP91000的平均功耗小于10μA，但是，當(dāng)與新的傳感器連接時(shí)，它能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)10mA的電流。LMP91000可以將傳感器與作為原電池工作的兩個(gè)電極連接在一起，或者根據(jù)安培原則運(yùn)作將傳感器與三個(gè)電極連接在一起。當(dāng)連接一個(gè)三電極傳感器時(shí)，LMP91000可作為一個(gè)恒電位器使用，當(dāng)連接原電池（對(duì)地或?qū)⒖茧妷海r(shí)，它也可作為一個(gè)緩沖器。適合這些傳感器的典型氣體示例列于表1。像采礦、工業(yè)環(huán)境、消防部門、食品和醫(yī)療行業(yè)、石油和天然氣勘探/提取，以及水和廢水處理，許多領(lǐng)域都可以找到這些應(yīng)用。

圖2顯示了LMP91000作為一個(gè)恒電位器的作用。

    圖2 ：LMP91000作為恒電位器使用

傳感器配有三個(gè)電極：工作電極、參考電極和反電極。如果氣體接觸到工作電極，它將氧化或減少電極，這種氧化過程建立了一個(gè)正/負(fù)電流，而電流的絕對(duì)值隨氣體濃度呈線性變化。隨著時(shí)間的推移，電極將隨氣體濃度的增加而銷毀。因此，定期更換傳感器是強(qiáng)制性的要求。每次更換傳感器都將改變電流值，這將導(dǎo)致測(cè)量誤差。為了判斷傳感器生命周期的當(dāng)前狀態(tài)，可以利用“傳感器測(cè)試”的可能性。為了這個(gè)目的，傳感器要接收一個(gè)脈沖，產(chǎn)生一個(gè)具有特征的輸出信號(hào)。設(shè)計(jì)工程師就能夠分析信號(hào)曲線的形狀來判斷傳感器的實(shí)際情況。

參考電極是恒定的固定基準(zhǔn)電位，位于電解質(zhì)中，而不與任何氣體接觸。通過使用參考電極，傳感器AFE LMP91000能夠彌補(bǔ)工作電極的測(cè)量誤差。

與工作電極上的電流一樣，反電極上的電流值相同，但具有相反的極性；LMP91000內(nèi)的放大器A1驅(qū)動(dòng)這個(gè)電流。這樣做，可以使器件保持測(cè)量單元處于平衡狀態(tài)，這就是正在得到補(bǔ)償?shù)?ldquo;電位”派生的恒電位器的作用。通過這種方式，當(dāng)RE驅(qū)動(dòng)的最大偏置電流為670pA時(shí)，LMP91000有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)9.5μA/10×10-6～0.5nA/10×10-6范圍的靈敏度。

當(dāng)傳感器第一次進(jìn)行操作時(shí)，第一步是電位的積聚。為了達(dá)到所要求的效果，LMP91000將驅(qū)動(dòng)高達(dá)10mA的電流。這要求它在短短幾小時(shí)內(nèi)就要完成這一過程。在某些情況下，普通的分立電路則需要幾天的時(shí)間才能建立這個(gè)電位。

WEBENCH傳感器設(shè)計(jì)工具

借助由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司免費(fèi)提供的在線設(shè)計(jì)工具“Sensor AFE Designer”，設(shè)計(jì)工程師可以輕松地評(píng)估設(shè)計(jì)。用戶可在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的網(wǎng)頁(yè)直接訪問該軟件，只需單擊WEBENCH框中的“傳感器”標(biāo)簽，然后選擇合適的類型的傳感器，再單擊“開始設(shè)計(jì)”即可(見圖3)。 

 

圖3 ：WEBENCH界面

這里，用戶可以選擇相應(yīng)的傳感器——在這個(gè)例子中是一個(gè)由Tempco制造的K型熱組件。在選擇傳感器后，軟件立即提供了一個(gè)LMP90100的鏈接圖（見圖4）。所有必要的調(diào)整已經(jīng)由系統(tǒng)預(yù)設(shè)好了：包括各個(gè)傳感器的選擇和輸入的分配，系統(tǒng)定義了所有的參數(shù)，如電流和參考源及增益。然后，用戶可以選擇采樣率、后臺(tái)校準(zhǔn)或傳感器測(cè)試功能。 

圖4 ：LMP90100應(yīng)用電路

除了兩款傳感器模擬前端集成電路，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司還提供配套的評(píng)估板。只要把這樣的評(píng)估電路板連接到PC，設(shè)計(jì)工程師們就能夠從美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的網(wǎng)站下載必要的離線軟件。除非電路板要用一個(gè)真正的傳感器直接測(cè)量，否則整個(gè)配置過程的方式和WEBENCH別無二致。傳感器數(shù)據(jù)可以在時(shí)間軸上分別顯示出電壓（以V表示）、數(shù)據(jù)（以位表示）或溫度（以℃表示）或壓力（以psi表示）。通過這種方式，用戶能夠?qū)ζ溥^程、測(cè)量任務(wù)分別進(jìn)行直接測(cè)試，利用Sensor AFE掌控測(cè)量任務(wù)。在顯示圖像的左側(cè)，系統(tǒng)顯示了可以預(yù)期的精度，以及實(shí)際達(dá)到的精度。在這種情況下，設(shè)計(jì)工程師必須注意，ENOB公式對(duì)統(tǒng)計(jì)值是有效的，但不適用于正常情況下使用的動(dòng)態(tài)值。由于標(biāo)準(zhǔn)偏差是公式的一個(gè)部分，當(dāng)溫度（或壓力，如果使用電橋電路）沒有一個(gè)恒定值時(shí)，系統(tǒng)顯示的ENOB值將大幅下降。