傳感器系統(tǒng)設計的捷徑

截至目前為止，基于傳感器的應用設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，其不僅簡化了設計工程師的工作，而且還可以在設計過程中節(jié)省時間。借助全新系列高精度傳感器模擬前端（Sensor AFE），設計工程師可以在短短幾小時內為每個新的傳感器創(chuàng)建完美的解決方案。
　　
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（這將在本文的后面詳細解釋）。

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。

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部結構：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內部結構

可以開啟或關閉的其他功能包括：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部時鐘供電。

由于復用器提供了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的最大電流來調節(jié)，允許使用阻性傳感器。

設計工程師能夠以二進制格式，在1～128之間調整隨后的放大器級增益。當增益高于16時，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，芯片可保證無論是在50Hz或60Hz都不會出現(xiàn)失真。設計工程師可以單獨調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轉換次/s。

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（對地或對參考電壓）時，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