傳感器模擬前端

那些有傳感器信號路徑設(shè)計需求的客戶發(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路徑問題，但這通常需要數(shù)周甚至數(shù)月的設(shè)計時間。在初始方案設(shè)計完成之后，客戶一般還需進行測試和調(diào)試，而這又要花費數(shù)周的時間。通常，在完成該設(shè)計流程后，客戶還需編寫自己的系統(tǒng)算法，希望借此令其產(chǎn)品在市場中脫穎而出。應(yīng)對信號路徑挑戰(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路徑設(shè)計需求，發(fā)明一種器件能滿足所有傳感器的需求顯然是不現(xiàn)實的，這樣的器件必然會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量出運動物體重量的電子秤，則需要采樣速率高達4000s/s。同樣，當(dāng)電子秤的輸入動態(tài)范圍越大時，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路徑市場細(xì)分為一系列傳感器應(yīng)用。對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。

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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)某場合需要使用熱電偶獲得更大的溫度范圍時，更大的溫度范圍將意味著輸出電壓會隨著測量溫度的不同而變化很大。此時，如果能夠動態(tài)調(diào)整信號路徑增益對系統(tǒng)設(shè)計者而言很有意義。LMP90100即可實現(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)計者選擇更高增益時，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8個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、多個電壓參考選項以及可調(diào)的采樣率。

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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)品還可以對傳感器的“健康狀況”進行診斷，這對于傳感器與負(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，電流源就會使輸入節(jié)點浮動到正的電源軌，示意出開路故障。當(dāng)傳感器短路時，電流源就會產(chǎn)生一個小幅值信號，通過將該信號與用戶可編程的電平比較，可以測試短路或?qū)⒔搪返那闆r。由于短路閾值是可編程的，所以可對瀕于故障的傳感器進行檢測。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出傳感器輸出變化相對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)測試等特性同樣為硬件/系統(tǒng)設(shè)計師提供了一條更加簡單的設(shè)計途徑，便于他們克服應(yīng)用挑戰(zhàn)。