傳感器模擬前端

那些有傳感器信號路徑設計需求的客戶發(fā)現(xiàn)自己正處在十字路口，他們有兩條路可以選擇，一條簡單，一條困難。目前，客戶們大多利用傳統(tǒng)的模擬手段來解決信號路徑問題，但這通常需要數(shù)周甚至數(shù)月的設計時間。在初始方案設計完成之后，客戶一般還需進行測試和調試，而這又要花費數(shù)周的時間。通常，在完成該設計流程后，客戶還需編寫自己的系統(tǒng)算法，希望借此令其產(chǎn)品在市場中脫穎而出。應對信號路徑挑戰(zhàn)的解決方案之一就是傳感器模擬前端電路（Sensor AFE）。

并不是說傳感器模擬前端電路（Sensor AFE）意在解決所有傳感器的信號路徑設計需求，發(fā)明一種器件能滿足所有傳感器的需求顯然是不現(xiàn)實的，這樣的器件必然會在滿足傳感器的特殊應用需求上有所折扣。例如，收發(fā)器溫度收發(fā)器常用于工業(yè)領域，在1～20mA回路終端，因此需要功耗極低的解決方案。為此相對而言，帶寬、速率和噪聲等就不是其關鍵性的性能參數(shù)。適合該領域的解決方案需要1～200s/s間的可變采樣速率，7μVrms的噪聲水平，以及不大于4mA的消耗電流。而如果是需要快速測量出運動物體重量的電子秤，則需要采樣速率高達4000s/s。同樣，當電子秤的輸入動態(tài)范圍越大時，它需要的噪聲水平也就越低，最低可至15nVrms。美國國家半導體的傳感器模擬前端電路將傳感器信號路徑市場細分為一系列傳感器應用。對于溫度傳感器或電子秤等特殊的傳感器應用，傳感器模擬前端電路是其最優(yōu)化的解決方案。

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LMP90100傳感收發(fā)器模擬前端電路
傳感器模擬前端電路滿足了傳感器信號路徑所需的技術規(guī)格要求，此外，還可通過串行外設接口（SPI）或I2C總線進行編程。其可編程特性，令其能在最大程度上滿足特定的傳感器應用需求。例如，當某場合需要使用熱電偶獲得更大的溫度范圍時，更大的溫度范圍將意味著輸出電壓會隨著測量溫度的不同而變化很大。此時，如果能夠動態(tài)調整信號路徑增益對系統(tǒng)設計者而言很有意義。LMP90100即可實現(xiàn)此功能，它適用于高精度、低功耗的傳感收發(fā)器應用。LMP90100內置用戶可編程的增益放大器，其增益范圍從1x到128x。當系統(tǒng)設計者選擇更高增益時，則可更好地利用集成的24位ΣΔ模數(shù)轉換器（ADC）的輸入動態(tài)范圍，從而提高系統(tǒng)整體性能和精度。此外，LMP90100傳感器模擬前端電路的輸入配置是可編程的。例如，一些不同類型的溫度傳感器的配置要求不同，為滿足這一需求，LMP90100等傳感器模擬前端電路具有完全可編程的輸入多路復用器（MUX），允許對8個可用輸入引腳隨意配置。LMP90100的其他可編程特性包括可編程電流源、多個電壓參考選項以及可調的采樣率。

圖2

LMP90100的3線RTD配置
除軟件可編程外，傳感器模擬前端電路產(chǎn)品還可以對傳感器的“健康狀況”進行診斷，這對于傳感器與負責監(jiān)控的中央控制器相隔數(shù)百甚至數(shù)千米的應用場合非常有用。例如，在食品加工廠等應用中，必須保證某些工藝環(huán)節(jié)是在特定溫度或壓力水平下進行的，以保證產(chǎn)品質量。中央控制器需要周期性地監(jiān)控傳感器的“健康狀況”，以確保它們收集的信息是正確的。借助LMP90100，電流源即可提供所需的傳感器診斷功能。當傳感器故障開路時，電流源就會使輸入節(jié)點浮動到正的電源軌，示意出開路故障。當傳感器短路時，電流源就會產(chǎn)生一個小幅值信號，通過將該信號與用戶可編程的電平比較，可以測試短路或將近短路的情況。由于短路閾值是可編程的，所以可對瀕于故障的傳感器進行檢測。其他的傳感器診斷技術還包括通過微調特定傳感器模擬前端電路的配置，監(jiān)控傳感器的輸出響應。例如，有毒氣體傳感器模擬前端電路LMP91000即可調整有毒氣體傳感器的偏置電壓。調整偏置電壓可以改變特定氣體傳感器的靈敏度，通過調整傳感器的靈敏度，中央控制器就可以檢測出傳感器輸出變化相對于偏置電壓變化是否匹配。如此，即可在故障發(fā)生前，更換那些已經(jīng)損壞或即將損壞的傳感器。傳感器診斷和健康狀態(tài)測試等特性同樣為硬件/系統(tǒng)設計師提供了一條更加簡單的設計途徑，便于他們克服應用挑戰(zhàn)。

圖3

LMP91000有毒氣體傳感器模擬前端電路
傳感器模擬前端電路還提供一些適用于具體應用的特性，包括多種節(jié)電模式和連續(xù)背景校準。節(jié)點模式尤其適用于便攜式電子設備和4～20mA回路的傳感收發(fā)器節(jié)點。例如，LMP91000即設計用作便攜式有毒氣體檢測器。為確保更長的傳感器導通時間常數(shù)，便攜式有毒氣體檢測器不會完全掉電，為此多種工作模式并存就變得非常重要。這些工作模式包括有毒氣體傳感器在監(jiān)控下，并當功耗為10μA的正常工作模式以及傳感器加設了偏置電壓但尚未進行實際測量的待機模式。在待機模式中，功耗通常為6μA，這也使得其恢復時間僅為秒量級，而不是小時量級。類似于氣體檢測器，因為直接自回路供電，傳感收發(fā)器節(jié)點也需要更低功耗，整個信號路徑功耗需要低于4mA。為此，需要為每個傳感器選擇最優(yōu)的采樣率，如果一個傳感器僅需要1s/s的采樣率，而另外一個傳感器需要200s/s，則LMP90100可以允許每個信號路徑工作在某一采樣率，而不受其他通道采樣率的影響。此外，可以關斷內部時鐘源和電流源等不必要的器件，以使功耗降至最低。

在必須同時檢測多個傳感器的應用中，傳感器模擬前端電路有其獨特優(yōu)勢。例如，在更寬的工作溫度范圍內精確監(jiān)控壓力時，相對于傳統(tǒng)設計方案，LMP90100具有其設計優(yōu)勢。首先，具有靈活輸入多路復用器的LMP90100可以接收多個傳感器的模擬輸入，而定制設計方案要求每個傳感器具有獨立的信號路徑。此類應用的另一個挑戰(zhàn)是每個傳感器需要具有不同的信號電平。壓力傳感器可能只有20mV的滿量程輸出范圍，而溫度傳感器則可能有幾伏的滿量程輸出范圍，也可以利用LMP90100 1～128倍、步長為2倍即6dB的可編程增益選項解決該問題。其他應用需求包括給傳感器加設偏置電壓和為模數(shù)轉換器提供參考電壓等。對于LMP90100，片上電流源可用于為傳感器加設偏置電壓，其參考多路復用器可用于為24位模數(shù)轉換器選擇兩個不同的參考電壓。對于定制設計，必須使用外部電路為傳感器加設偏置電壓并為模數(shù)轉換器提供參考電壓。參考多路復用器還具有其他特性，包括可測量模數(shù)轉換器參考電壓對傳感器偏置電壓的比值，及在噪聲環(huán)境中提供優(yōu)異的系統(tǒng)性能。在定制設計中可以利用分立元件實現(xiàn)該性能，但需要額外的板上空間及微控制器通用輸入輸出（GPIO）線。最后，由于測量是在較寬的工作溫度范圍內進行的，傳統(tǒng)的信號路徑解決方案必須在整個工作溫度范圍內設定好。對于LMP90100，從傳感器輸出到微控制器輸入的信號路徑是自校正的，不隨溫度或時間漂移，這意味著系統(tǒng)信號路徑中電子器件的增益和偏移不需要在數(shù)字域進行監(jiān)測或修正。

圖4

相對傳統(tǒng)設計，另一個傳感器模擬前端電路可以發(fā)揮巨大優(yōu)勢的多傳感系統(tǒng)應用是在需要用同一儀器設計感應多種不同氣體的有毒氣體檢測器時。有些有毒氣體傳感器在特定氣體中會發(fā)生氧化反應，而其他傳感器可能發(fā)生還原反應。傳統(tǒng)的解決方案要求能夠調節(jié)用于測量流經(jīng)傳感器電流的跨導放大器（TIA）的偏置電壓。對于電流流出傳感器工作電極（WE）時的還原反應，偏置電壓需要設定為正參考值，以防止電流變大時TIA的輸出在近地附近限幅。氧化反應下，電流會流入傳感器的工作電極，為此偏置電壓需要設定在地附近，以防止TIA的輸出在正電源附近飽和。這可以通過幾種定制的分立式設計方式實現(xiàn)，一種方案是采用雙極性電源，它在地附近為TIA的輸入加設偏置電壓，使其可以在任一方向上變化。另一種方案是針對特定類型的有毒氣體傳感器，利用外部數(shù)模轉換器（DAC）或模擬開關改變從地附近到正電源電壓附近的偏置電壓。此外，還有一種備選方案是采用LMP91000，它針對TIA輸入集成了可編程偏置電壓，該方法可以以單一正電源電壓為兩類化學反應正常供電。有毒氣體檢測器的另一個設計挑戰(zhàn)是需要檢測電流的動態(tài)范圍。一些有毒氣體傳感器的滿量程范圍為600μA、靈敏度為10nA/10-6，而其他的傳感器滿量程范圍可能為10μA、靈敏度為1nA/10-6。解決這一問題同樣有多種解決方案。為了在寬電流范圍內提供足夠的測量分辨率，相對于傳統(tǒng)的12位模數(shù)轉換器，定制方案需要16或24位高分辨率模數(shù)轉換器，它雖然在整個電流范圍內確保了所需的分辨率，但數(shù)模轉換器的成本大幅提高。另一個選擇是利用模擬開關切換不同的反饋電阻值，以改變TIA的增益，這樣就能使用12位模數(shù)轉換器并更好地利用模數(shù)轉換器的動態(tài)范圍獲得所需的性能。LMP91000內置從2～375kΩ的可編程反饋電阻和可切換到外部反饋電阻的性能選項從而解決了這一難題。最后，有些應用還要求控制有毒氣體傳感器工作電極（WE）與參考電極（RE）之間的電勢差，有些傳感器如一氧化碳傳感器需要零偏置電壓，即要求RE和WE在相同的電位上。而有些氣體傳感器如一氧化氮傳感器需要正偏置電壓，另外一些傳感器則需要負偏置電壓，定制設計可以通過綜合利用模擬開關、多種參考電壓和/或模數(shù)轉換器而實現(xiàn)。LMP91000通過提供從+24%的VREF到-24%的VREF的可編程偏置電壓得以解決這一問題。

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LMP91000的不同化學反應
傳感器模擬前端電路產(chǎn)品配套了各種軟硬件開發(fā)工具，利用這些開發(fā)工具，系統(tǒng)設計者可以了解傳感器模擬前端電路如何滿足傳感器信號的需求。首先，軟件工具為系統(tǒng)設計師提供了了解特定的傳感器模擬前端電路產(chǎn)品的友好用戶環(huán)境。當啟動軟件時，會一并開啟一個向導索引，該索引包含了一個介紹有關器件特點和性能的短片以讓系統(tǒng)設計師明白工具的功能特點。當用戶完成或跳過軟件向導，系統(tǒng)設計師即可從傳感器數(shù)據(jù)庫選擇連接到傳感器模擬前端電路的傳感器。例如，選用面向精密、低功耗傳感收發(fā)器設計的LMP90100，用戶可以從多種溫度傳感器（如熱電偶、RTD、熱敏電阻和模擬溫度傳感器）、壓力傳感器和負載單元中進行選擇。如果所選的特定傳感器不在列表中，設計者可以手動將傳感器添加到數(shù)據(jù)庫中。一旦選定了某傳感器，傳感器模擬前端電路就會針對該傳感器自動配置。此時，用戶被引導到傳感器模擬前端電路框圖，他們可以研究器件特性及如何針對該傳感器進行配置。幫助欄將引導設計者瀏覽傳感器模擬前端電路的可編程單元。用戶也可以通過將鼠標懸停在特定單元上獲取所有可編程單元的詳細說明。除可以自動對所選的傳感器進行配置外，該軟件工具還可針對特定配置提供器件的性能評估功能。如果更改了任何器件配置，如增益或采樣率，性能評估表會自動更新并顯示出新的器件性能。該軟件工具的設計目的是為系統(tǒng)設計師提供一個無須閱讀冗長的數(shù)據(jù)表，即可了解如何使用某部件滿足所需的方式。

圖6

虛擬器件導覽與傳感器選項
利用SPIO-4基于USB的數(shù)據(jù)采集板，所有配置均可輕松地在幾秒內傳到傳感器模擬前端電路評估板上。只要使用合適的開發(fā)硬件，系統(tǒng)設計師即可轉入測量選項卡，此時，他們可以對比實際測量的數(shù)據(jù)和估計的數(shù)據(jù)值。由于一些傳感器模擬前端電路如LMP90100具有多路輸入，可以同時監(jiān)測數(shù)個傳感器。系統(tǒng)設計師也可以監(jiān)測電壓、模數(shù)轉換器輸出情況或傳感器專用性能指標（如溫度傳感器的攝氏或華氏溫度）等系統(tǒng)性能，利用傳感器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，該開發(fā)工具為用戶帶來這一功能。此外，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)也可以涵蓋被收集的數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)可以采用模擬示波器截屏的時間域或柱狀圖的形式顯示。開發(fā)工具是傳感器模擬前端電路幫助系統(tǒng)設計師輕松完成其硬件開發(fā)而提供的另一選擇。