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(jiǎn)單，一條困難。目前，客戶們大多利用傳統(tǒng)的模擬手段來(lái)解決信號(hào)路徑問(wèn)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(xiě)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(shuō)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(guó)國(guó)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(guò)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(lèi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)單的設(shè)計(jì)途徑，便于他們克服應(yīng)用挑戰(zhàn)。