浅谈传感器模拟前端

那些有传感器信号路径设计需求的客户发现自己正处在十字路口，目前，客户们大多利用传统的模拟手段来解决信号路径问题，但这通常需要数周甚至数月的设计时间。美国国家半导体公司宣布推出两款可配置的传感器模拟前端（AFE）集成电路，两款产品采用美国国家半导体的独创技术，并获得多款全新设计工具的支持，令系统设计工程师可以使用各大厂商生产的各类传感器产品完成信号路径设计，将产品快速推向市场。系统设计工程师只要采用这两款可配置的传感器模拟前端电路，即可利用WEBENCH?传感器模拟前端电路设计工具（WEBENCH? Sensor AFE Designer）完成传感器信号路径设计。换言之，工程师可以利用这套设计工具挑选传感器，进行设计，配置解决方案并将配置参数下载至传感器模拟前端电路。目前一个典型的传感器应用需要数块电路板及多达25颗元器件，而采用美国国家半导体的方案，则只需一颗芯片即可。同样，以往设计一个传感器系统，需要几周甚至几个月的时间，而采用美国国家半导体的新产品和设计工具，设计时间则可缩短至几分钟。目前传感器系统已被广泛用于各个主要行业，如临界监控系统，这类监测系统的体积越趋小巧，且要求更少的耗电量及更高的可靠性。

并不是说传感器模拟前端电路（Sensor AFE）意在解决所有传感器的信号路径设计需求，发明一种器件能满足所有传感器的需求显然是不现实的，这样的器件必然会在满足传感器的特殊应用需求上有所折扣。例如，收发器温度收发器常用于工业领域，在1～20mA回路终端，因此需要功耗极低的解决方案。适合该领域的解决方案需要1～200s/s间的可变采样速率，7μVrms的噪声水平，以及不大于4mA的消耗电流。而如果是需要快速测量出运动物体重量的电子秤，则需要采样速率高达4000s/s。同样，当电子秤的输入动态范围越大时，它需要的噪声水平也就越低，最低可至15nVrms。

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LMP90100传感收发器模拟前端电路

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器模拟前端电路满足了传感器信号路径所需的技术规格要求，此外，还可通过串行外设接口（SPI）或I2C总线进行编程。其可编程特性，令其能在最大程度上满足特定的传感器应用需求。例如，当某场合需要使用热电偶获得更大的温度范围时，更大的温度范围将意味着输出电压会随着测量温度的不同而变化很大。此时，如果能够动态调整信号路径增益对系统设计者而言很有意义。LMP90100即可实现此功能，它适用于高精度、低功耗的传感收发器应用。LMP90100内置用户可编程的增益放大器，其增益范围从1x到128x。当系统设计者选择更高增益时，则可更好地利用集成的24位ΣΔ模数转换器（ADC）的输入动态范围，从而提高系统整体性能和精度。此外，LMP90100传感器模拟前端电路的输入配置是可编程的。

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LMP90100的3线RTD配置

除软件可编程外，传感器模拟前端电路产品还可以对传感器的“健康状况”进行诊断，这对于传感器与负责监控的中央控制器相隔数百甚至数千米的应用场合非常有用。例如，在食品加工厂等应用中，必须保证某些工艺环节是在特定温度或压力水平下进行的，以保证产品质量。中央控制器需要周期性地监控传感器的“健康状况”，以确保它们收集的信息是正确的。借助LMP90100，电流源即可提供所需的传感器诊断功能。当传感器故障开路时，电流源就会使输入节点浮动到正的电源轨，示意出开路故障。当传感器短路时，电流源就会产生一个小幅值信号，通过将该信号与用户可编程的电平比较，可以测试短路或将近短路的情况。由于短路阈值是可编程的，所以可对濒于故障的传感器进行检测。其他的传感器诊断技术还包括通过微调特定传感器模拟前端电路的配置，监控传感器的输出响应。例如，有毒气体传感器模拟前端电路LMP91000即可调整有毒气体传感器的偏置电压。调整偏置电压可以改变特定气体传感器的灵敏度，通过调整传感器的灵敏度，中央控制器就可以检测出传感器输出变化相对于偏置电压变化是否匹配。

图3

LMP91000有毒气体传感器模拟前端电路

传感器模拟前端电路还提供一些适用于具体应用的特性，包括多种节电模式和连续背景校准。节点模式尤其适用于便携式电子设备和4～20mA回路的传感收发器节点。为确保更长的传感器导通时间常数，便携式有毒气体检测器不会完全掉电，为此多种工作模式并存就变得非常重要。这些工作模式包括有毒气体传感器在监控下，并当功耗为10μA的正常工作模式以及传感器加设了偏置电压但尚未进行实际测量的待机模式。在待机模式中，功耗通常为6μA，这也使得其恢复时间仅为秒量级，而不是小时量级。类似于气体检测器，因为直接自回路供电，传感收发器节点也需要更低功耗，整个信号路径功耗需要低于4mA。

在必须同时检测多个传感器的应用中，传感器模拟前端电路有其独特优势。例如，在更宽的工作温度范围内精确监控压力时，相对于传统设计方案，LMP90100具有其设计优势。首先，具有灵活输入多路复用器的LMP90100可以接收多个传感器的模拟输入，而定制设计方案要求每个传感器具有独立的信号路径。压力传感器可能只有20mV的满量程输出范围，而温度传感器则可能有几伏的满量程输出范围，也可以利用LMP90100 1～128倍、步长为2倍即6dB的可编程增益选项解决该问题。其他应用需求包括给传感器加设偏置电压和为模数转换器提供参考电压等。对于LMP90100，片上电流源可用于为传感器加设偏置电压，其参考多路复用器可用于为24位模数转换器选择两个不同的参考电压。参考多路复用器还具有其他特性，包括可测量模数转换器参考电压对传感器偏置电压的比值，及在噪声环境中提供优异的系统性能。最后，由于测量是在较宽的工作温度范围内进行的，传统的信号路径解决方案必须在整个工作温度范围内设定好。

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相对传统设计，另一个传感器模拟前端电路可以发挥巨大优势的多传感系统应用是在需要用同一仪器设计感应多种不同气体的有毒气体检测器时。有些有毒气体传感器在特定气体中会发生氧化反应，而其他传感器可能发生还原反应。传统的解决方案要求能够调节用于测量流经传感器电流的跨导放大器（TIA）的偏置电压。对于电流流出传感器工作电极（WE）时的还原反应，偏置电压需要设定为正参考值，以防止电流变大时TIA的输出在近地附近限幅。氧化反应下，电流会流入传感器的工作电极，为此偏置电压需要设定在地附近，以防止TIA的输出在正电源附近饱和。这可以通过几种定制的分立式设计方式实现，一种方案是采用双极性电源，它在地附近为TIA的输入加设偏置电压，使其可以在任一方向上变化。另一种方案是针对特定类型的有毒气体传感器，利用外部数模转换器（DAC）或模拟开关改变从地附近到正电源电压附近的偏置电压。有毒气体检测器的另一个设计挑战是需要检测电流的动态范围。一些有毒气体传感器的满量程范围为600μA、灵敏度为10nA/10-6，而其他的传感器满量程范围可能为10μA、灵敏度为1nA/10-6。解决这一问题同样有多种解决方案。为了在宽电流范围内提供足够的测量分辨率，相对于传统的12位模数转换器，定制方案需要16或24位高分辨率模数转换器，它虽然在整个电流范围内确保了所需的分辨率，但数模转换器的成本大幅提高。最后，有些应用还要求控制有毒气体传感器工作电极（WE）与参考电极（RE）之间的电势差，有些传感器如一氧化碳传感器需要零偏置电压，而有些气体传感器如一氧化氮传感器需要正偏置电压，另外一些传感器则需要负偏置电压，定制设计可以通过综合利用模拟开关、多种参考电压和/或模数转换器而实现。

图5

LMP91000的不同化学反应

传感器模拟前端电路产品配套了各种软硬件开发工具，利用这些开发工具，系统设计者可以了解传感器模拟前端电路如何满足传感器信号的需求。首先，软件工具为系统设计师提供了了解特定的传感器模拟前端电路产品的友好用户环境。当启动软件时，会一并开启一个向导索引，该索引包含了一个介绍有关器件特点和性能的短片以让系统设计师明白工具的功能特点。当用户完成或跳过软件向导，系统设计师即可从传感器数据库选择连接到传感器模拟前端电路的传感器。如果所选的特定传感器不在列表中，设计者可以手动将传感器添加到数据库中。一旦选定了某传感器，传感器模拟前端电路就会针对该传感器自动配置。此时，用户被引导到传感器模拟前端电路框图，他们可以研究器件特性及如何针对该传感器进行配置。

图6

虚拟器件导览与传感器选项

利用SPIO-4基于USB的数据采集板，所有配置均可轻松地在几秒内传到传感器模拟前端电路评估板上。只要使用合适的开发硬件，系统设计师即可转入测量选项卡，此时，他们可以对比实际测量的数据和估计的数据值。由于一些传感器模拟前端电路如LMP90100具有多路输入，可以同时监测数个传感器。系统设计师也可以监测电压、模数转换器输出情况或传感器专用性能指标等系统性能，利用传感器数据库中的数据，该开发工具为用户带来这一功能。

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