截至目前為止，基于傳感器的應用設計要求為每一個(gè)系統量身定制優(yōu)化的模擬解決方案。這類(lèi)設計工作少則數天，多則幾個(gè)星期，往往涉及很多環(huán)節，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(jìn)行測試。為了避免一次又一次從頭開(kāi)始每一個(gè)新的任務(wù)，包含硬件和軟件組件的解決方案被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其不僅簡(jiǎn)化了設計工程師的工作，而且還可以在設計過(guò)程中節省時(shí)間。借助全新系列高精度傳感器模擬前端（Sensor AFE），設計工程師可以在短短幾小時(shí)內為每個(gè)新的傳感器創(chuàng )建完美的解決方案。
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，因為需要大規模的封裝，芯片將會(huì )非常之大，這導致了昂貴的價(jià)格及大量的電能消耗。所以，它不符合設計人員的要求。
美國國家半導體公司開(kāi)辟了新的途徑，為特定測量任務(wù)開(kāi)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、幾種醫療計數、重量等。每一個(gè)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(méi)有任何不必要的電子元件（ballast）。在其測量的類(lèi)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解釋?zhuān)?/font>
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通道輸入多路復用器的組合，是一個(gè)帶有可調增益系數和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部結構：用戶(hù)可以根據傳感器和測量任務(wù)匹配圖中的所有彩色塊。
圖1 LMP90100內部結構
可以開(kāi)啟或關(guān)閉的其他功能包括：傳感器可監控檢查傳感器的短路或斷開(kāi)（開(kāi)路故障），或偏移校準和放大。這些功能完全是在后臺執行的，不會(huì )對輸出數據流產(chǎn)生任何影響。此外，在外部時(shí)鐘出現故障的情況下，可以利用時(shí)鐘管理電路自動(dòng)切換到使用內部時(shí)鐘供電。
由于復用器提供了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。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點(diǎn)補償。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(xiàn)測量電阻或三個(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需要不斷檢查傳感器。同時(shí)，管理電路采用了目前沒(méi)有使用的測量方式，即始終監控單一傳感器，以避免測量數據流的任何干擾。
兩個(gè)匹配的電流源可以利用步長(cháng)（step）為1mA的最大電流來(lái)調節，允許使用阻性傳感器。
設計工程師能夠以二進(jìn)制格式，在1～128之間調整隨后的放大器級增益。當增益高于16時(shí)，緊接第一個(gè)放大器級之后的緩沖器可改善總的測量效果。但是，這個(gè)緩沖器會(huì )消耗額外的功率。設計人員需要根據具體應用來(lái)衡量是否需要消耗額外的功率來(lái)改善測量結果。
24位Δ-Σ A/D轉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。每當采樣率低于13.42時(shí)，芯片可保證無(wú)論是在50Hz或60Hz都不會(huì )出現失真。設計工程師可以單獨調整每個(gè)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，設計人員要注意采樣率是通過(guò)差分通道劃分的。利用兩個(gè)差分通道，最大采樣率會(huì )因此達到214.65/2=107.33。用4個(gè)差分通道的采樣率將因此達到53.6625轉換次/s。
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用。LMP91000的平均功耗小于10μA，但是，當與新的傳感器連接時(shí)，它能夠驅動(dòng)高達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，或者根據安培原則運作將傳感器與三個(gè)電極連接在一起。當連接一個(gè)三電極傳感器時(shí)，LMP91000可作為一個(gè)恒電位器使用，當連接原電池（對地或對參考電壓）時(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(mén)、食品和醫療行業(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(guò)程建立了一個(gè)正/負電流，而電流的絕對值隨氣體濃度呈線(xiàn)性變化。隨著(zhù)時(shí)間的推移，電極將隨氣體濃度的增加而銷(xiāo)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，這將導致測量誤差。為了判斷傳感器生命周期的當前狀態(tài)，可以利用“傳感器測試”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。設計工程師就能夠分析信號曲線(xiàn)的形狀來(lái)判斷傳感器的實(shí)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(guò)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內的放大器A1驅動(dòng)這個(gè)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的“電位”派生的恒電位器的作用。通過(guò)這種方式，當RE驅動(dòng)的最大偏置電流為670pA時(shí)，LMP91000有助于設計人員實(shí)現9.5μA/10×10-6～0.5nA/10×10-6范圍的靈敏度。
當傳感器第一次進(jìn)行操作時(shí)，第一步是電位的積聚。為了達到所要求的效果，LMP91000將驅動(dòng)高達10mA的電流。這要求它在短短幾小時(shí)內就要完成這一過(guò)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傳感器設計工具
借助由美國國家半導體公司免費提供的在線(xiàn)設計工具“Sensor AFE Designer”，設計工程師可以輕松地評估設計。用戶(hù)可在美國國家半導體的網(wǎng)頁(yè)直接訪(fǎng)問(wèn)該軟件，只需單擊WEBENCH框中的“傳感器”標簽，然后選擇合適的類(lèi)型的傳感器，再單擊“開(kāi)始設計”即可(見(jiàn)圖3)。
圖3 WEBENCH界面
這里，用戶(hù)可以選擇相應的傳感器——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(jiàn)圖4）。所有必要的調整已經(jīng)由系統預設好了：包括各個(gè)傳感器的選擇和輸入的分配，系統定義了所有的參數，如電流和參考源及增益。然后，用戶(hù)可以選擇采樣率、后臺校準或傳感器測試功能。
圖4 LMP90100應用電路
除了兩款傳感器模擬前端集成電路，美國國家半導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，設計工程師們就能夠從美國國家半導體公司的網(wǎng)站下載必要的離線(xiàn)軟件。除非電路板要用一個(gè)真正的傳感器直接測量，否則整個(gè)配置過(guò)程的方式和WEBENCH別無(wú)二致。傳感器數據可以在時(shí)間軸上分別顯示出電壓（以V表示）、數據（以位表示）或溫度（以℃表示）或壓力（以psi表示）。通過(guò)這種方式，用戶(hù)能夠對其過(guò)程、測量任務(wù)分別進(jìn)行直接測試，利用Sensor AFE掌控測量任務(wù)。在顯示圖像的左側，系統顯示了可以預期的精度，以及實(shí)際達到的精度。在這種情況下，設計工程師必須注意，ENOB公式對統計值是有效的，但不適用于正常情況下使用的動(dòng)態(tài)值。由于標準偏差是公式的一個(gè)部分，當溫度（或壓力，如果使用電橋電路）沒(méi)有一個(gè)恒定值時(shí)，系統顯示的ENOB值將大幅下降。 |
