傳感器模擬前端

那些有傳感器信號(hào)路徑設(shè)計(jì)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(hào)路徑問題，但這通常需要數(shù)周甚至數(shù)月的設(shè)計(jì)時(shí)間。在初始方案設(shè)計(jì)完成之后，客戶一般還需進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，而這又要花費(fèi)數(shù)周的時(shí)間。通常，在完成該設(shè)計(jì)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(chǎng)中脫穎而出。應(yīng)對(duì)信號(hào)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(hào)路徑設(shè)計(jì)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(shí)的，這樣的器件必然會(huì)在滿足傳感器的特殊應(yīng)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(lǐng)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(duì)而言，帶寬、速率和噪聲等就不是其關(guān)鍵性的性能參數(shù)。適合該領(lǐng)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(cè)量出運(yùn)動(dòng)物體重量的電子秤，則需要采樣速率高達(dá)4000s/s。同樣，當(dāng)電子秤的輸入動(dòng)態(tài)范圍越大時(shí)，它需要的噪聲水平也就越低，最低可至15nVrms。美國國家半導(dǎo)體的傳感器模擬前端電路將傳感器信號(hào)路徑市場(chǎng)細(xì)分為一系列傳感器應(yīng)用。對(duì)于溫度傳感器或電子秤等特殊的傳感器應(yīng)用，傳感器模擬前端電路是其最優(yōu)化的解決方案。

圖1

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(hào)路徑所需的技術(shù)規(guī)格要求，此外，還可通過串行外設(shè)接口（SPI）或I2C總線進(jìn)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(yīng)用需求。例如，當(dāng)某場(chǎng)合需要使用熱電偶獲得更大的溫度范圍時(shí)，更大的溫度范圍將意味著輸出電壓會(huì)隨著測(cè)量溫度的不同而變化很大。此時(shí)，如果能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)路徑增益對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言很有意義。LMP90100即可實(shí)現(xiàn)此功能，它適用于高精度、低功耗的傳感收發(fā)器應(yīng)用。LMP90100內(nèi)置用戶可編程的增益放大器，其增益范圍從1x到128x。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者選擇更高增益時(shí)，則可更好地利用集成的24位ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入動(dòng)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(fù)用器（MUX），允許對(duì)8個(gè)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(gè)電壓參考選項(xiàng)以及可調(diào)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(duì)傳感器的“健康狀況”進(jìn)行診斷，這對(duì)于傳感器與負(fù)責(zé)監(jiān)控的中央控制器相隔數(shù)百甚至數(shù)千米的應(yīng)用場(chǎng)合非常有用。例如，在食品加工廠等應(yīng)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(jìn)行的，以保證產(chǎn)品質(zhì)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(dāng)傳感器故障開路時(shí)，電流源就會(huì)使輸入節(jié)點(diǎn)浮動(dòng)到正的電源軌，示意出開路故障。當(dāng)傳感器短路時(shí)，電流源就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小幅值信號(hào)，通過將該信號(hào)與用戶可編程的電平比較，可以測(cè)試短路或?qū)⒔搪返那闆r。由于短路閾值是可編程的，所以可對(duì)瀕于故障的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。其他的傳感器診斷技術(shù)還包括通過微調(diào)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(yīng)。例如，有毒氣體傳感器模擬前端電路LMP91000即可調(diào)整有毒氣體傳感器的偏置電壓。調(diào)整偏置電壓可以改變特定氣體傳感器的靈敏度，通過調(diào)整傳感器的靈敏度，中央控制器就可以檢測(cè)出傳感器輸出變化相對(duì)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(cè)試等特性同樣為硬件/系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了一條更加簡單的設(shè)計(jì)途徑，便于他們克服應(yīng)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(yīng)用的特性，包括多種節(jié)電模式和連續(xù)背景校準(zhǔn)。節(jié)點(diǎn)模式尤其適用于便攜式電子設(shè)備和4～20mA回路的傳感收發(fā)器節(jié)點(diǎn)。例如，LMP91000即設(shè)計(jì)用作便攜式有毒氣體檢測(cè)器。為確保更長的傳感器導(dǎo)通時(shí)間常數(shù)，便攜式有毒氣體檢測(cè)器不會(huì)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(dāng)功耗為10μA的正常工作模式以及傳感器加設(shè)了偏置電壓但尚未進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的待機(jī)模式。在待機(jī)模式中，功耗通常為6μA，這也使得其恢復(fù)時(shí)間僅為秒量級(jí)，而不是小時(shí)量級(jí)。類似于氣體檢測(cè)器，因?yàn)橹苯幼曰芈饭╇姡瑐鞲惺瞻l(fā)器節(jié)點(diǎn)也需要更低功耗，整個(gè)信號(hào)路徑功耗需要低于4mA。為此，需要為每個(gè)傳感器選擇最優(yōu)的采樣率，如果一個(gè)傳感器僅需要1s/s的采樣率，而另外一個(gè)傳感器需要200s/s，則LMP90100可以允許每個(gè)信號(hào)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(guān)斷內(nèi)部時(shí)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(shí)檢測(cè)多個(gè)傳感器的應(yīng)用中，傳感器模擬前端電路有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。例如，在更寬的工作溫度范圍內(nèi)精確監(jiān)控壓力時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，LMP90100具有其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。首先，具有靈活輸入多路復(fù)用器的LMP90100可以接收多個(gè)傳感器的模擬輸入，而定制設(shè)計(jì)方案要求每個(gè)傳感器具有獨(dú)立的信號(hào)路徑。此類應(yīng)用的另一個(gè)挑戰(zhàn)是每個(gè)傳感器需要具有不同的信號(hào)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(xiàng)解決該問題。其他應(yīng)用需求包括給傳感器加設(shè)偏置電壓和為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供參考電壓等。對(duì)于LMP90100，片上電流源可用于為傳感器加設(shè)偏置電壓，其參考多路復(fù)用器可用于為24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇兩個(gè)不同的參考電壓。對(duì)于定制設(shè)計(jì)，必須使用外部電路為傳感器加設(shè)偏置電壓并為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供參考電壓。參考多路復(fù)用器還具有其他特性，包括可測(cè)量模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電壓對(duì)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(shè)計(jì)中可以利用分立元件實(shí)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(cè)量是在較寬的工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，傳統(tǒng)的信號(hào)路徑解決方案必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)設(shè)定好。對(duì)于LMP90100，從傳感器輸出到微控制器輸入的信號(hào)路徑是自校正的，不隨溫度或時(shí)間漂移，這意味著系統(tǒng)信號(hào)路徑中電子器件的增益和偏移不需要在數(shù)字域進(jìn)行監(jiān)測(cè)或修正。

圖4

相對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，另一個(gè)傳感器模擬前端電路可以發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)的多傳感系統(tǒng)應(yīng)用是在需要用同一儀器設(shè)計(jì)感應(yīng)多種不同氣體的有毒氣體檢測(cè)器時(shí)。有些有毒氣體傳感器在特定氣體中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，而其他傳感器可能發(fā)生還原反應(yīng)。傳統(tǒng)的解決方案要求能夠調(diào)節(jié)用于測(cè)量流經(jīng)傳感器電流的跨導(dǎo)放大器（TIA）的偏置電壓。對(duì)于電流流出傳感器工作電極（WE）時(shí)的還原反應(yīng)，偏置電壓需要設(shè)定為正參考值，以防止電流變大時(shí)TIA的輸出在近地附近限幅。氧化反應(yīng)下，電流會(huì)流入傳感器的工作電極，為此偏置電壓需要設(shè)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(shè)計(jì)方式實(shí)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(shè)偏置電壓，使其可以在任一方向上變化。另一種方案是針對(duì)特定類型的有毒氣體傳感器，利用外部數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）或模擬開關(guān)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(duì)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(xué)反應(yīng)正常供電。有毒氣體檢測(cè)器的另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是需要檢測(cè)電流的動(dòng)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(nèi)提供足夠的測(cè)量分辨率，相對(duì)于傳統(tǒng)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，定制方案需要16或24位高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它雖然在整個(gè)電流范圍內(nèi)確保了所需的分辨率，但數(shù)模轉(zhuǎn)換器的成本大幅提高。另一個(gè)選擇是利用模擬開關(guān)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(zhuǎn)換器并更好地利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍獲得所需的性能。LMP91000內(nèi)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(xiàng)從而解決了這一難題。最后，有些應(yīng)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(shì)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(fù)偏置電壓，定制設(shè)計(jì)可以通過綜合利用模擬開關(guān)、多種參考電壓和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器而實(shí)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。

圖5

LMP91000的不同化學(xué)反應(yīng)
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(shè)計(jì)者可以了解傳感器模擬前端電路如何滿足傳感器信號(hào)的需求。首先，軟件工具為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)啟動(dòng)軟件時(shí)，會(huì)一并開啟一個(gè)向?qū)饕?，該索引包含了一個(gè)介紹有關(guān)器件特點(diǎn)和性能的短片以讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師明白工具的功能特點(diǎn)。當(dāng)用戶完成或跳過軟件向?qū)?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(fù)載單元中進(jìn)行選擇。如果所選的特定傳感器不在列表中，設(shè)計(jì)者可以手動(dòng)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(huì)針對(duì)該傳感器自動(dòng)配置。此時(shí)，用戶被引導(dǎo)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(duì)該傳感器進(jìn)行配置。幫助欄將引導(dǎo)設(shè)計(jì)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(biāo)懸停在特定單元上獲取所有可編程單元的詳細(xì)說明。除可以自動(dòng)對(duì)所選的傳感器進(jìn)行配置外，該軟件工具還可針對(duì)特定配置提供器件的性能評(píng)估功能。如果更改了任何器件配置，如增益或采樣率，性能評(píng)估表會(huì)自動(dòng)更新并顯示出新的器件性能。該軟件工具的設(shè)計(jì)目的是為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供一個(gè)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(dǎo)覽與傳感器選項(xiàng)
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(nèi)傳到傳感器模擬前端電路評(píng)估板上。只要使用合適的開發(fā)硬件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師即可轉(zhuǎn)入測(cè)量選項(xiàng)卡，此時(shí)，他們可以對(duì)比實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)和估計(jì)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(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)個(gè)傳感器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師也可以監(jiān)測(cè)電壓、模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出情況或傳感器專用性能指標(biāo)（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(jì)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(shí)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(shè)計(jì)師輕松完成其硬件開發(fā)而提供的另一選擇。