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，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。

美國國家半導體公司開辟了新的途徑，為特定測量任務開發(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用。LMP91000的平均功耗小于10μA，但是，當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。當連接一個三電極傳感器時，LMP91000可作為一個恒電位器使用，當連接原電池（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