传感器前端模拟设计

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，他们有两条路可以选择，一条简单，一条困难。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。在初始方案设计完成之后，客户一般还需进行测试和调试，而这又要花费数周的时间。通常，在完成该设计流程后，客户还需编写自己的系统算法，希望借此令其产品在市场中脱颖而出。应对信号路径挑战的解决方案之一就是传感器模拟前端电路（Sensor AFE）。

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。为此相对而言，带宽、速率和噪声等就不是其关键性的性能参数。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。美国国家半导体的传感器模拟前端电路将传感器信号路径市场细分为一系列传感器应用。对于温度传感器或电子秤等特殊的传感器应用，传感器模拟前端电路是其最优化的解决方案。

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LMP90100传感收发器模拟前端电路

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。例如，一些不同类型的温度传感器的配置要求不同，为满足这一需求，LMP90100等传感器模拟前端电路具有完全可编程的输入多路复用器（MUX），允许对8个可用输入引脚随意配置。LMP90100的其他可编程特性包括可编程电流源、多个电压参考选项以及可调的采样率。

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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。如此，即可在故障发生前，更换那些已经损坏或即将损坏的传感器。传感器诊断和健康状态测试等特性同样为硬件/系统设计师提供了一条更加简单的设计途径，便于他们克服应用挑战。

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。例如，LMP91000即设计用作便携式有毒气体检测器。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。为此，需要为每个传感器选择最优的采样率，如果一个传感器仅需要1s/s的采样率，而另外一个传感器需要200s/s，则LMP90100可以允许每个信号路径工作在某一采样率，而不受其他通道采样率的影响。此外，可以关断内部时钟源和电流源等不必要的器件，以使功耗降至最低。

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。此类应用的另一个挑战是每个传感器需要具有不同的信号电平。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。对于定制设计，必须使用外部电路为传感器加设偏置电压并为模数转换器提供参考电压。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。在定制设计中可以利用分立元件实现该性能，但需要额外的板上空间及微控制器通用输入输出（GPIO）线。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。对于LMP90100，从传感器输出到微控制器输入的信号路径是自校正的，不随温度或时间漂移，这意味着系统信号路径中电子器件的增益和偏移不需要在数字域进行监测或修正。

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