傳感器模擬前端

單個傳感器模擬前端（AFE）不同於集所有功能與一身的“模擬FPGA”。“模擬FPGA”這(zhe)種(zhong)芯(xin)片(pian)有(you)太(tai)多(duo)的(de)弊(bi)端(duan)，因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)大(da)規(gui)模(mo)的(de)封(feng)裝(zhuang)
，芯(xin)片(pian)將(jiang)會(hui)非(fei)常(chang)之(zhi)大(da)，這(zhe)導(dao)致(zhi)了(le)昂(ang)貴(gui)的(de)價(jia)格(ge)及(ji)大(da)量(liang)的(de)電(dian)能(neng)消(xiao)耗(hao)。所(suo)以(yi)
，它(ta)不(bu)符(fu)合(he)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)的(de)要(yao)求(qiu)。

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了量身定製的獨特集成電路，如測量/檢測溫度、氣體
、壓力
、pH值、幾種醫療計數、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（這將在本文的後麵詳細解釋）。

前兩款傳感器AFE器件

就在幾個月前，有兩款傳感器AFE係列的器件推出：分別為用於溫度傳感器及低速橋型配置測量的LMP91000和用於氣體傳感器的LMP90100。

LMP90100

LMP90100提供了一個高度集成的8通道輸入多路複用器的組合，是一個帶有可調增益係數和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：傳感器可監控檢查傳感器的短路或斷開（開路故障），或huo偏pian移yi校xiao準zhun和he放fang大da。這zhe些xie功gong能neng完wan全quan是shi在zai後hou台tai執zhi行xing的de
，不bu會hui對dui輸shu出chu數shu據ju流liu產chan生sheng任ren何he影ying響xiang。此ci外wai
，在zai外wai部bu時shi鍾zhong出chu現xian故gu障zhang的de情qing況kuang下xia
，可ke以yi利li用yong時shi鍾zhong管guan理li電dian路lu自zi動dong切qie換huan到dao使shi用yong內nei部bu時shi鍾zhong供gong電dian。

由於複用器提供了7個單端輸入或4個(ge)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)，該(gai)器(qi)件(jian)允(yun)許(xu)連(lian)接(jie)更(geng)多(duo)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，這(zhe)可(ke)能(neng)要(yao)基(ji)於(yu)不(bu)同(tong)的(de)技(ji)術(shu)實(shi)現(xian)。這(zhe)方(fang)麵(mian)一(yi)個(ge)很(hen)好(hao)的(de)例(li)子(zi)是(shi)，將(jiang)一(yi)個(ge)熱(re)電(dian)組(zu)件(jian)與(yu)位(wei)於(yu)該(gai)熱(re)電(dian)組(zu)件(jian)下(xia)方(fang)的(de)模(mo)擬(ni)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)連(lian)接(jie)組(zu)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)，其(qi)中(zhong)的(de)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)用(yong)於(yu)冷(leng)結(jie)點(dian)補(bu)償(chang)。用(yong)兩(liang)個(ge)熱(re)電(dian)組(zu)件(jian)加(jia)兩(liang)個(ge)模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)，或(huo)者(zhe)加(jia)兩(liang)個(ge)三(san)線(xian)測(ce)量(liang)電(dian)阻(zu)或(huo)三(san)個(ge)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)
，也(ye)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)到(dao)這(zhe)個(ge)多(duo)功(gong)能(neng)組(zu)件(jian)。這(zhe)樣(yang)傳(chuan)感(gan)器(qi)管(guan)理(li)功(gong)能(neng)能(neng)夠(gou)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)不(bu)斷(duan)檢(jian)查(zha)傳(chuan)感(gan)器(qi)。同(tong)時(shi)，管(guan)理(li)電(dian)路(lu)采(cai)用(yong)了(le)目(mu)前(qian)沒(mei)有(you)使(shi)用(yong)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)式(shi)

，即(ji)始(shi)終(zhong)監(jian)控(kong)單(dan)一(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)，以(yi)避(bi)免(mian)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)流(liu)的(de)任(ren)何(he)幹(gan)擾(rao)。

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，允許使用阻性傳感器。

設計工程師能夠以二進製格式
，在1～128之間調整隨後的放大器級增益。當增益高於16shi，jinjiediyigefangdaqijizhihoudehuanchongqikegaishanzongdeceliangxiaoguo。danshi，zhegehuanchongqihuixiaohaoewaidegonglv。shejirenyuanxuyaogenjujutiyingyonglaihengliangshifouxuyaoxiaohaoewaidegonglvlaigaishanceliangjieguo。

24位Δ-Σ A/D轉換器的采樣率是為溫度測量而優化的
，在1.68和214.65樣本/s之間。每當采樣率低於13.42時，芯片可保證無論是在50Hz或60Hzdoubuhuichuxianshizhen。shejigongchengshikeyidandutiaozhengmeigetongdaodecaiyanglv。suotigongdejutizhiduidanduancaozuojunyouxiao。ruguoshiyongchafentongdao
，shejirenyuanyaozhuyicaiyanglvshitongguochafentongdaohuafende。liyonglianggechafentongdao，zuidacaiyanglvhuiyincidadao214.65/2=107.33。用4個差分通道的采樣率將因此達到53.6625轉換次/s。

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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的平均功耗小於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ke以yi將jiang傳chuan感gan器qi與yu作zuo為wei原yuan電dian池chi工gong作zuo的de兩liang個ge電dian極ji連lian接jie在zai一yi起qi，或huo者zhe根gen據ju安an培pei原yuan則ze運yun作zuo將jiang傳chuan感gan器qi與yu三san個ge電dian極ji連lian接jie在zai一yi起qi。當dang連lian接jie一yi個ge三san電dian極ji傳chuan感gan器qi時shi
，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，它也可作為一個緩衝器。適合這些傳感器的典型氣體示例列於表1。像采礦、工業環境、消防部門、食品和醫療行業、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

傳感器配有三個電極：工作電極、參考電極和反電極。如果氣體接觸到工作電極，它將氧化或減少電極，這種氧化過程建立了一個正/負(fu)電(dian)流(liu)，而(er)電(dian)流(liu)的(de)絕(jue)對(dui)值(zhi)隨(sui)氣(qi)體(ti)濃(nong)度(du)呈(cheng)線(xian)性(xing)變(bian)化(hua)。隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)
，電(dian)極(ji)將(jiang)隨(sui)氣(qi)體(ti)濃(nong)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)銷(xiao)毀(hui)。因(yin)此(ci)，定(ding)期(qi)更(geng)換(huan)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)強(qiang)製(zhi)性(xing)的(de)要(yao)求(qiu)。每(mei)次(ci)更(geng)換(huan)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)將(jiang)改(gai)變(bian)電(dian)流(liu)值(zhi)
，這(zhe)將(jiang)導(dao)致(zhi)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)。為(wei)了(le)判(pan)斷(duan)傳(chuan)感(gan)器(qi)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)的(de)當(dang)前(qian)狀(zhuang)態(tai)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)“傳感器測試”dekenengxing。weilezhegemude，chuanganqiyaojieshouyigemaichong
，chanshengyigejuyoutezhengdeshuchuxinhao。shejigongchengshijiunenggoufenxixinhaoquxiandexingzhuanglaipanduanchuanganqideshijiqingkuang。

參考電極是恒定的固定基準電位
，位於電解質中，而不與任何氣體接觸。通過使用參考電極，傳感器AFE LMP91000能夠彌補工作電極的測量誤差。

與工作電極上的電流一樣，反電極上的電流值相同，但具有相反的極性

；LMP91000內的放大器A1驅動這個電流。這樣做
，可以使器件保持測量單元處於平衡狀態，這就是正在得到補償的“電位”派生的恒電位器的作用。通過這種方式，當RE驅動的最大偏置電流為670pA時
，LMP91000有助於設計人員實現9.5μA/10×10-6～0.5nA/10×10-6範圍的靈敏度。

當傳感器第一次進行操作時，第一步是電位的積聚。為了達到所要求的效果，LMP91000將驅動高達10mA的電流。這要求它在短短幾小時內就要完成這一過程。在某些情況下，普通的分立電路則需要幾天的時間才能建立這個電位。

WEBENCH傳感器設計工具

借助由美國國家半導體公司免費提供的在線設計工具“Sensor AFE Designer”

，設計工程師可以輕鬆地評估設計。用戶可在美國國家半導體的網頁直接訪問該軟件，隻需單擊WEBENCH框中的“傳感器”標簽，然後選擇合適的類型的傳感器，再單擊“開始設計”即可(見圖3)。 

 

圖3 ：WEBENCH界麵

這裏，用戶可以選擇相應的傳感器——在這個例子中是一個由Tempco製造的K型熱組件。在選擇傳感器後
，軟件立即提供了一個LMP90100的鏈接圖（見圖4）。所有必要的調整已經由係統預設好了：包括各個傳感器的選擇和輸入的分配，係統定義了所有的參數
，如電流和參考源及增益。然後
，用戶可以選擇采樣率
、後台校準或傳感器測試功能。 

圖4 ：LMP90100應用電路

除了兩款傳感器模擬前端集成電路，美國國家半導體公司還提供配套的評估板。隻要把這樣的評估電路板連接到PC，設she計ji工gong程cheng師shi們men就jiu能neng夠gou從cong美mei國guo國guo家jia半ban導dao體ti公gong司si的de網wang站zhan下xia載zai必bi要yao的de離li線xian軟ruan件jian。除chu非fei電dian路lu板ban要yao用yong一yi個ge真zhen正zheng的de傳chuan感gan器qi直zhi接jie測ce量liang，否fou則ze整zheng個ge配pei置zhi過guo程cheng的de方fang式shi和heWEBENCH別無二致。傳感器數據可以在時間軸上分別顯示出電壓（以V表示）、數據（以位表示）或溫度（以℃表示）或壓力（以psi表示）。通過這種方式，用戶能夠對其過程
、測量任務分別進行直接測試
，利用Sensor AFE掌控測量任務。在顯示圖像的左側，係統顯示了可以預期的精度
，以及實際達到的精度。在這種情況下
，設計工程師必須注意，ENOB公式對統計值是有效的

，但不適用於正常情況下使用的動態值。由於標準偏差是公式的一個部分
，當溫度（或壓力，如果使用電橋電路）沒有一個恒定值時
，係統顯示的ENOB值將大幅下降。