傳感器系統(tǒng)設(shè)計的“模板”

截至目前為止，基于傳感器的應(yīng)用設(shè)計要求為每一個系統(tǒng)量身定制優(yōu)化的模擬解決方案。這類設(shè)計工作少則數(shù)天，多則幾個星期，往往涉及很多環(huán)節(jié)，包括選擇相關(guān)組件并建立原型，以便隨后創(chuàng)建布局，然后為首批即將投產(chǎn)的印刷電路板（PCB）進行測試。為了避免一次又一次從頭開始每一個新的任務(wù)，包含硬件和軟件組件的解決方案被開發(fā)出來，其不僅簡化了設(shè)計工程師的工作，而且還可以在設(shè)計過程中節(jié)省時間。借助全新系列高精度傳感器模擬前端（Sensor AFE），設(shè)計工程師可以在短短幾小時內(nèi)為每個新的傳感器創(chuàng)建完美的解決方案。

1  傳感器模擬前端

單個傳感器模擬前端（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，因為需要大規(guī)模的封裝，芯片將會非常之大，這導(dǎo)致了昂貴的價格及大量的電能消耗。所以，它不符合設(shè)計人員的要求。

美國國家半導(dǎo)體公司開辟了新的途徑，為特定測量任務(wù)開發(fā)了量身定制的獨特集成電路，如測量/檢測溫度、氣體、壓力、pH值、幾種醫(yī)療計數(shù)、重量等。每一個與眾不同的集成電路都包含了針對具體測量任務(wù)的確切合適的功能，而沒有任何不必要的電子元件（ballaST）。在其測量的類別（如溫度）中，可以非常容易地用一個特定的器件匹配不同的傳感器。

2  前兩款傳感器AFE器件

就在幾個月前，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量的LMP91000和用于氣體傳感器的LMP90100。

2.1 LMP90100

LMP90100提供了一個高度集成的8通道輸入多路復(fù)用器的組合，是一個帶有可調(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)傳感器和測量任務(wù)匹配圖中的所有彩色塊。

圖1 LMP90100內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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

24位Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率是為溫度測量而優(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，芯片可保證無論是在50Hz或60Hz都不會出現(xiàn)失真。設(shè)計工程師可以單獨調(diào)整每個通道的采樣率。所提供的具體值對單端操作均有效。如果使用差分通道，設(shè)計人員要注意采樣率是通過差分通道劃分的。利用兩個差分通道，最大采樣率會因此達到214.65/2=107.33。用4個差分通道的采樣率將因此達到53.6625轉(zhuǎn)換次/s。

2.2 LMP91000

LMP91000是一個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，它能夠驅(qū)動高達10mA的電流。LMP91000可以將傳感器與作為原電池工作的兩個電極連接在一起，或者根據(jù)安培原則運作將傳感器與三個電極連接在一起。當(dāng)連接一個三電極傳感器時，LMP91000可作為一個恒電位器使用，當(dāng)連接原電池（對地或?qū)⒖茧妷海r，它也可作為一個緩沖器。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正/負電流，而電流的絕對值隨氣體濃度呈線性變化。隨著時間的推移，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“傳感器測試”的可能性。為了這個目的，傳感器要接收一個脈沖，產(chǎn)生一個具有特征的輸出信號。設(shè)計工程師就能夠分析信號曲線的形狀來判斷傳感器的實際情況。

參考電極是恒定的固定基準電位，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能夠彌補工作電極的測量誤差。

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)動這個電流。這樣做，可以使器件保持測量單元處于平衡狀態(tài)，這就是正在得到補償?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)動的最大偏置電流為670pA時，LMP91000有助于設(shè)計人員實現(xiàn)9.5μA/10×10-6～0.5nA/10×10-6范圍的靈敏度。

當(dāng)傳感器第一次進行操作時，第一步是電位的積聚。為了達到所要求的效果，LMP91000將驅(qū)動高達10mA的電流。這要求它在短短幾小時內(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間才能建立這個電位。

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），或偏移校準和放大。這些功能完全是在后臺執(zhí)行的，不會對輸出數(shù)據(jù)流產(chǎn)生任何影響。此外，在外部時鐘出現(xiàn)故障的情況下，可以利用時鐘管理電路自動切換到使用內(nèi)部時鐘供電。

由于復(fù)用器提供了7個單端輸入或4個差分輸入，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)實現(xiàn)。這方面一個很好的例子是，將一個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)點補償。用兩個熱電組件加兩個模擬傳感器，或者加兩個三線測量電阻或三個熱敏電阻，也可以直接連接到這個多功能組件。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，管理電路采用了目前沒有使用的測量方式，即始終監(jiān)控單一傳感器，以避免測量數(shù)據(jù)流的任何干擾。

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

3  WEBENCH傳感器設(shè)計工具

借助由美國國家半導(dǎo)體公司免費提供的在線設(shè)計工具“Sensor AFE Designer”，設(shè)計工程師可以輕松地評估設(shè)計。用戶可在美國國家半導(dǎo)體的網(wǎng)頁直接訪問該軟件，只需單擊WEBENCH框中的“傳感器”標簽，然后選擇合適的類型的傳感器，再單擊“開始設(shè)計”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——在這個例子中是一個由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、后臺校準或傳感器測試功能。

圖4 LMP90100應(yīng)用電路

除了兩款傳感器模擬前端集成電路，美國國家半導(dǎo)體公司還提供配套的評估板。只要把這樣的評估電路板連接到PC，設(shè)計工程師們就能夠從美國國家半導(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真正的傳感器直接測量，否則整個配置過程的方式和WEBENCH別無二致。傳感器數(shù)據(jù)可以在時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、測量任務(wù)分別進行直接測試，利用Sensor AFE掌控測量任務(wù)。在顯示圖像的左側(cè)，系統(tǒng)顯示了可以預(yù)期的精度，以及實際達到的精度。在這種情況下，設(shè)計工程師必須注意，ENOB公式對統(tǒng)計值是有效的，但不適用于正常情況下使用的動態(tài)值。由于標準偏差是公式的一個部分，當(dāng)溫度（或壓力，如果使用電橋電路）沒有一個恒定值時，系統(tǒng)顯示的ENOB值將大幅下降。