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传感器系统设计的捷径

发布时间:2020-12-11 发布时间:
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截至目前为止,基于传感器的应用设计要求为每一个系统量身定制优化的模拟解决方案。这类设计工作少则数天,多则几个星期,往往涉及很多环节,包括选择相关组件并建立原型,以便随后创建布局,然后为首批即将投产的印刷电路板(PCB)进行测试。为了避免一次又一次从头开始每一个新的任务,包含硬件和软件组件的解决方案被开发出来,其不仅简化了设计工程师的工作,而且还可以在设计过程中节省时间。借助全新系列高精度传感器模拟前端(Sensor AFE),设计工程师可以在短短几小时内为每个新的传感器创建完美的解决方案。

传感器模拟前端
单个传感器模拟前端(AFE)不同于集所有功能与一身的“模拟FPGA”。“模拟FPGA”这种芯片有太多的弊端,因为需要大规模的封装,芯片将会非常之大,这导致了昂贵的价格及大量的电能消耗。所以,它不符合设计人员的要求。



美国国家半导体公司开辟了新的途径,为特定测量任务开发了量身定制的独特集成电路,如测量/检测温度、气体、压力、pH值、几种医疗计数、重量等。每一个与众不同的集成电路都包含了针对具体测量任务的确切合适的功能,而没有任何不必要的电子元件(ballast)。在其测量的类别(如温度)中,可以非常容易地用一个特定的器件匹配不同的传感器(这将在本文的后面详细解释)。

前两款传感器AFE器件
就在几个月前,有两款传感器AFE系列的器件推出:分别为用于温度传感器及低速桥型配置测量的LMP91000和用于气体传感器的LMP90100。

LMP90100
LMP90100提供了一个高度集成的8通道输入多路复用器的组合,是一个带有可调增益系数和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括电流源、电压基准和其他功能。图1显示了该集成电路的内部结构:用户可以根据传感器和测量任务匹配图中的所有彩色块。

图1 LMP90100内部结构


可以开启或关闭的其他功能包括:传感器可监控检查传感器的短路或断开(开路故障),或偏移校准和放大。这些功能完全是在后台执行的,不会对输出数据流产生任何影响。此外,在外部时钟出现故障的情况下,可以利用时钟管理电路自动切换到使用内部时钟供电。


由于复用器提供了7个单端输入或4个差分输入,该器件允许连接更多的传感器,这可能要基于不同的技术实现。这方面一个很好的例子是,将一个热电组件与位于该热电组件下方的模拟温度传感器连接组合在一起,其中的温度传感器用于冷结点补偿。用两个热电组件加两个模拟传感器,或者加两个三线测量电阻或三个热敏电阻,也可以直接连接到这个多功能组件。这样传感器管理功能能够根据需要不断检查传感器。同时,管理电路采用了目前没有使用的测量方式,即始终监控单一传感器,以避免测量数据流的任何干扰。


两个匹配的电流源可以利用步长(step)为1mA的最大电流来调节,允许使用阻性传感器。


设计工程师能够以二进制格式,在1~128之间调整随后的放大器级增益。当增益高于16时,紧接第一个放大器级之后的缓冲器可改善总的测量效果。但是,这个缓冲器会消耗额外的功率。设计人员需要根据具体应用来衡量是否需要消耗额外的功率来改善测量结果。


24位Δ-Σ A/D转换器的采样率是为温度测量而优化的,在1.68和214.65样本/s之间。每当采样率低于13.42时,芯片可保证无论是在50Hz或60Hz都不会出现失真。设计工程师可以单独调整每个通道的采样率。所提供的具体值对单端操作均有效。如果使用差分通道,设计人员要注意采样率是通过差分通道划分的。利用两个差分通道,最大采样率会因此达到214.65/2=107.33。用4个差分通道的采样率将因此达到53.6625转换次/s。

LMP91000
LMP91000是一个电流消耗非常低的纯模拟解决方案,这使其特别适合便携式应用。LMP91000的平均功耗小于10μA,但是,当与新的传感器连接时,它能够驱动高达10mA的电流。LMP91000可以将传感器与作为原电池工作的两个电极连接在一起,或者根据安培原则运作将传感器与三个电极连接在一起。当连接一个三电极传感器时,LMP91000可作为一个恒电位器使用,当连接原电池(对地或对参考电压)时,它也可作为一个缓冲器。适合这些传感器的典型气体示例列于表1。


像采矿、工业环境、消防部门、食品和医疗行业、石油和天然气勘探/提取,以及水和废水处理,许多领域都可以找到这些应用。


图2显示了LMP91000作为一个恒电位器的作用。

图2 LMP91000作为恒电位器使用



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