傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的捷徑

截至目前為止，基于傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)要求為每一個(gè)系統(tǒng)量身定制優(yōu)化的模擬解決方案。這類設(shè)計(jì)工作少則數(shù)天，多則幾個(gè)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(jìn)行測(cè)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(shè)計(jì)工程師的工作，而且還可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中節(jié)省時(shí)間。借助全新系列高精度傳感器模擬前端（Sensor AFE），設(shè)計(jì)工程師可以在短短幾小時(shí)內(nèi)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?yàn)樾枰笠?guī)模的封裝，芯片將會(huì)非常之大，這導(dǎo)致了昂貴的價(jià)格及大量的電能消耗。所以，它不符合設(shè)計(jì)人員的要求。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司開(kāi)辟了新的途徑，為特定測(cè)量任務(wù)開(kāi)發(fā)了量身定制的獨(dú)特集成電路，如測(cè)量/檢測(cè)溫度、氣體、壓力、pH值、幾種醫(yī)療計(jì)數(shù)、重量等。每一個(gè)與眾不同的集成電路都包含了針對(duì)具體測(cè)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(cè)量的類別（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(xì)解釋）。

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(cè)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(fù)用器的組合，是一個(gè)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(zhǔn)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(cè)量任務(wù)匹配圖中的所有彩色塊。

圖1 LMP90100內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可以開(kāi)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(kāi)（開(kāi)路故障），或偏移校準(zhǔn)和放大。這些功能完全是在后臺(tái)執(zhí)行的，不會(huì)對(duì)輸出數(shù)據(jù)流產(chǎn)生任何影響。此外，在外部時(shí)鐘出現(xiàn)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(nèi)部時(shí)鐘供電。

由于復(fù)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(xiàn)。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(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。用兩個(gè)熱電組件加兩個(gè)模擬傳感器，或者加兩個(gè)三線測(cè)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(jù)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(cè)量方式，即始終監(jiān)控單一傳感器，以避免測(cè)量數(shù)據(jù)流的任何干擾。

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

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

24位Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率是為溫度測(cè)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(shí)，芯片可保證無(wú)論是在50Hz或60Hz都不會(huì)出現(xiàn)失真。設(shè)計(jì)工程師可以單獨(dú)調(diào)整每個(gè)通道的采樣率。所提供的具體值對(duì)單端操作均有效。如果使用差分通道，設(shè)計(jì)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(dá)到214.65/2=107.33。用4個(gè)差分通道的采樣率將因此達(dá)到53.6625轉(zhuǎn)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(yīng)用。LMP91000的平均功耗小于10μA，但是，當(dāng)與新的傳感器連接時(shí)，它能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)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(jù)安培原則運(yùn)作將傳感器與三個(gè)電極連接在一起。當(dāng)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(dāng)連接原電池（對(duì)地或?qū)⒖茧妷海r(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、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(gè)恒電位器的作用。

圖2 LMP91000作為恒電位器使用