傳感器模擬前端

那些有傳感器信號路徑設計需求的客戶(hù)發(fā)現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(hù)們大多利用傳統的模擬手段來(lái)解決信號路徑問(wèn)題，但這通常需要數周甚至數月的設計時(shí)間。在初始方案設計完成之后，客戶(hù)一般還需進(jìn)行測試和調試，而這又要花費數周的時(shí)間。通常，在完成該設計流程后，客戶(hù)還需編寫(xiě)自己的系統算法，希望借此令其產(chǎn)品在市場(chǎng)中脫穎而出。應對信號路徑挑戰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路徑設計需求，發(fā)明一種器件能滿(mǎn)足所有傳感器的需求顯然是不現實(shí)的，這樣的器件必然會(huì )在滿(mǎn)足傳感器的特殊應用需求上有所折扣。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。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(dòng)物體重量的電子秤，則需要采樣速率高達4000s/s。同樣，當電子秤的輸入動(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。美國國家半導體的傳感器模擬前端電路將傳感器信號路徑市場(chǎng)細分為一系列傳感器應用。對于溫度傳感器或電子秤等特殊的傳感器應用，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(mǎn)足了傳感器信號路徑所需的技術(shù)規格要求，此外，還可通過(guò)串行外設接口（SPI）或I2C總線(xiàn)進(jìn)行編程。其可編程特性，令其能在最大程度上滿(mǎn)足特定的傳感器應用需求。例如，當某場(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(zhù)輸出電壓會(huì )隨著(zhù)測量溫度的不同而變化很大。此時(shí)，如果能夠動(dòng)態(tài)調整信號路徑增益對系統設計者而言很有意義。LMP90100即可實(shí)現此功能，它適用于高精度、低功耗的傳感收發(fā)器應用。LMP90100內置用戶(hù)可編程的增益放大器，其增益范圍從1x到128x。當系統設計者選擇更高增益時(shí)，則可更好地利用集成的24位ΣΔ模數轉換器（ADC）的輸入動(dòng)態(tài)范圍，從而提高系統整體性能和精度。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(mǎn)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用器（MUX），允許對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)電壓參考選項以及可調的采樣率。

圖2

LMP90100的3線(xiàn)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(jìn)行診斷，這對于傳感器與負責監控的中央控制器相隔數百甚至數千米的應用場(chǎng)合非常有用。例如，在食品加工廠(chǎng)等應用中，必須保證某些工藝環(huán)節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。當傳感器故障開(kāi)路時(shí)，電流源就會(huì )使輸入節點(diǎn)浮動(dòng)到正的電源軌，示意出開(kāi)路故障。當傳感器短路時(shí)，電流源就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)小幅值信號，通過(guò)將該信號與用戶(hù)可編程的電平比較，可以測試短路或將近短路的情況。由于短路閾值是可編程的，所以可對瀕于故障的傳感器進(jìn)行檢測。其他的傳感器診斷技術(shù)還包括通過(guò)微調特定傳感器模擬前端電路的配置，監控傳感器的輸出響應。例如，有毒氣體傳感器模擬前端電路LMP91000即可調整有毒氣體傳感器的偏置電壓。調整偏置電壓可以改變特定氣體傳感器的靈敏度，通過(guò)調整傳感器的靈敏度，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/系統設計師提供了一條更加簡(jiǎn)單的設計途徑，便于他們克服應用挑戰。