截至目前為(wei) 止，基於(yu) 傳(chuan) 感器的應用設計要求為(wei) 每一個(ge) 係統量身定製優(you) 化的模擬解決(jue) 方案。這類設計工作少則數天，多則幾個(ge) 星期，往往涉及很多環節，包括選擇相關(guan) 組件並建立原型，以便隨後創建布局，然後為(wei) 首批即將投產(chan) 的印刷電路板（PCB）進行測試。為(wei) 了避免一次又一次從(cong) 頭開始每一個(ge) 新的任務，美國國家半導體(ti) 公司開發出一種包含硬件和軟件組件的解決(jue) 方案，不僅(jin) 簡化了設計工程師的工作，而且還可以在設計過程中節省時間。借助全新係列高精度傳(chuan) 感器模擬前端（Sensor AFE），設計工程師可以在短短幾個(ge) 小時內(nei) 為(wei) 每個(ge) 新的傳(chuan) 感器創建完美的解決(jue) 方案。

傳(chuan) 感器模擬前端

單個(ge) 傳(chuan) 感器模擬前端（AFE）不同於(yu) 集所有功能與(yu) 一身的“模擬FPGA”。“模擬FPGA”這種芯片有太多的弊端，因為(wei) 需要大規模的封裝，芯片將會(hui) 非常之大，這導致了昂貴的價(jia) 格及大量的電能消耗。所以，它不符合設計人員的要求。

美國國家半導體(ti) 公司開辟了新的途徑，為(wei) 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(ti) 、壓力、pH值、幾種醫療計數、重量等。每一個(ge) 與(yu) 眾(zhong) 不同的集成電路都包含了針對具體(ti) 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(ge) 特定的器件匹配不同的傳(chuan) 感器（這將在本文的後麵詳細解釋）。

前兩(liang) 款傳(chuan) 感器AFE器件

就在幾個(ge) 月前，美國國家半導體(ti) 公司推出了傳(chuan) 感器AFE係列的前兩(liang) 款器件：分別為(wei) 用於(yu) 溫度傳(chuan) 感器及慢橋配置（slow bridge-configuration）測量的LMP91000和用於(yu) 氣體(ti) 傳(chuan) 感器的LMP90100。未來，美國國家半導體(ti) 公司將向市場推出幾款其他器件，例如用於(yu) 測量pH值和稱重傳(chuan) 感器的型號。上述兩(liang) 款IC在設計上有本質的區別。

LMP90100

LMP90100提供了一個(ge) 高度集成的8通道輸入多路複用器的組合，是一個(ge) 帶有可調增益係數和24位Σ-ΔADC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(nei) 部結構：用戶可以根據傳(chuan) 感器和測量任務匹配圖中的所有彩色塊。

圖1

可以開啟或關(guan) 閉的其他功能包括：傳(chuan) 感器可監控檢查傳(chuan) 感器的短路或斷開（開路故障），或偏移校準和放大。這些功能完全是在後台執行的，不會(hui) 對輸出數據流產(chan) 生任何影響。此外，在外部時鍾出現故障的情況下，可以利用時鍾管理電路自動切換到使用內(nei) 部時鍾供電。

由於(yu) 複用器提供了7個(ge) 單端輸入或4個(ge) 差分輸入，該器件允許連接更多的傳(chuan) 感器，這可能要基於(yu) 不同的技術實現。這方麵一個(ge) 很好的例子是，將一個(ge) 熱電組件與(yu) 位於(yu) 該熱電組件下方的模擬溫度傳(chuan) 感器連接組合在一起，其中的溫度傳(chuan) 感器用於(yu) 冷結點補償(chang) 。用兩(liang) 個(ge) 熱電組件加兩(liang) 個(ge) 模擬傳(chuan) 感器，或者加兩(liang) 個(ge) 三線測量電阻或三個(ge) 熱敏電阻，也可以直接連接到這個(ge) 多功能組件。這樣傳(chuan) 感器管理功能能夠根據需要不斷檢查傳(chuan) 感器。同時，管理電路采用了目前沒有使用的測量方式，即始終監控（screen）單一傳(chuan) 感器，以避免測量數據流的任何幹擾。
兩(liang) 個(ge) 匹配的電流源可以利用100μA步長（step）高達1mA的最大電流來調節，允許使用阻性傳(chuan) 感器。

設計工程師能夠以二進製格式，在1和128係數之間調整隨後的放大器級增益。當增益高於(yu) 16時，緊接第一個(ge) 放大器級之後的緩衝(chong) 器可改善總的測量效果，但是，這個(ge) 緩衝(chong) 器會(hui) 消耗額外的功率。設計人員需要根據具體(ti) 應用來衡量是否需要消耗額外的功率來改善測量結果。

24位Δ-ΣA/D轉換器的采樣率是為(wei) 溫度測量而優(you) 化的，在1.68和214.65樣本/秒（samples/second）之間。每當采樣率低於(yu) 13.42時，芯片可保證無論是在50Hz或60Hz都不會(hui) 出現失真。設計工程師可以單獨調整每個(ge) 通道的采樣率。所提供的具體(ti) 值對單端操作均有效。如果使用差分通道，設計人員要注意采樣率是通過差分通道劃分的。利用兩(liang) 個(ge) 差分通道，最大采樣率會(hui) 因此達到214.65/2 = 107.33。用四個(ge) 差分通道的采樣率將因此達到53.6625轉換/秒（conversions/second）。

LMP91000

LMP91000是一個(ge) 電流消耗非常低的純模擬解決(jue) 方案，這使其特別適合便攜式應用。LMP91000的平均功耗小於(yu) 10μA，但是，當與(yu) 新的傳(chuan) 感器連接時，它能夠驅動高達10mA的電流。LMP91000可以將傳(chuan) 感器與(yu) 作為(wei) 原電池（galvanic cell）工作的兩(liang) 個(ge) 電極連接在一起，或者根據安培原則運作將傳(chuan) 感器與(yu) 三個(ge) 電極連接在一起。當連接一個(ge) 三電極傳(chuan) 感器時，LMP91000可作為(wei) 一個(ge) 恒電勢器（potentiosestat）使用，當連接原電池（對地或對參考電壓）時，它也可作為(wei) 一個(ge) 緩衝(chong) 器。適合這些傳(chuan) 感器的典型氣體(ti) 示例列於(yu) 表1。

表1：可用於(yu) 檢測多種氣體(ti) 的典型傳(chuan) 感器
 

一氧化碳	氰化氫	臭氧
氯化氫	二氧化硫	氯
甲烷	一氧化氮	環氧乙烷
氫	氨	磷
硫化氫	氮氧化物	氧

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像采礦、工業(ye) 環境、消防部門、食品和醫療行業(ye) 、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(wei) 一個(ge) 恒電勢器的作用。

圖2

傳(chuan) 感器配有三個(ge) 電極：工作電極（Working Electrode，WE）、參考電極（Reference Electrode，RE）和反電極（Counter Electrode，CE）。如果氣體(ti) 接觸到WE，它將氧化或減少電極，這種氧化過程建立了一個(ge) 正/負電流，而電流的絕對值隨氣體(ti) 濃度呈線性變化。隨著時間的推移，電極將隨氣體(ti) 濃度的增加而銷毀。因此，定期更換傳(chuan) 感器是強製性的要求。每次更換傳(chuan) 感器都將改變電流值，這將導致測量誤差。為(wei) 了判斷傳(chuan) 感器生命周期的當前狀態，可以利用“傳(chuan) 感器測試”的可能性。為(wei) 了這個(ge) 目的，傳(chuan) 感器要接收一個(ge) 脈衝(chong) ，產(chan) 生一個(ge) 具有特征的輸出信號。設計工程師就能夠分析信號曲線的形狀來判斷傳(chuan) 感器的實際情況。

RE是恒定的固定基準電位，位於(yu) 電解質中，而不與(yu) 任何氣體(ti) 接觸。通過使用RE，傳(chuan) 感器AFE LMP91000能夠彌補工作電極的測量誤差。

與(yu) WE上的電流一樣，CE上的電流值相同，但具有相反的極性；LMP91000內(nei) 的放大器A1驅動這個(ge) 電流。這樣做，可以使器件保持測量單元處於(yu) 平衡狀態，這就是正在得到補償(chang) 的“電位”派生的恒電勢器的作用。通過這種方式，當RE驅動的最大偏置電流為(wei) 670pA時，LMP91000有助於(yu) 設計人員實現9.5μA/ppm至0.5nA/ppm範圍的靈敏度。

當傳(chuan) 感器第一次進行操作時，第一步是電位的積聚。為(wei) 了達到所要求的效果，LMP91000將驅動高達10mA的電流。這要求它在短短幾個(ge) 小時內(nei) 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(ge) 電位。

WEBENCH傳(chuan) 感器設計工具

借助由美國國家半導體(ti) 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(ti) 的網頁直接訪問該軟件，隻需點擊WEBENCH框中的“傳(chuan) 感器”標簽，然後選擇合適的類型的傳(chuan) 感器，再點擊“開始設計”即可(圖3)。

圖3

在這裏，用戶可以選擇相應的傳(chuan) 感器——在這個(ge) 例子中是一個(ge) 由Tempco製造的K型熱組件。在選擇傳(chuan) 感器後，軟件立即提供了一個(ge) LMP90100的圖形鏈接（圖4）。所有必要的調整已經由係統預設好了：包括各個(ge) 傳(chuan) 感器的選擇和輸入的分配，係統定義(yi) 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(chuan) 感器測試功能。

圖4

除了兩(liang) 款傳(chuan) 感器模擬前端集成電路，美國國家半導體(ti) 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，設計工程師們(men) 就能夠從(cong) 美國國家半導體(ti) 公司的網站下載必要的離線軟件。除非電路板要用一個(ge) 真正的傳(chuan) 感器直接測量，否則整個(ge) 配置過程的方式和WEBENCH別無二致。傳(chuan) 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(ce) ，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(yu) 正常情況下使用的動態值。由於(yu) 標準偏差是公式的一個(ge) 部分，當溫度（或壓力，如果使用電橋電路）沒有一個(ge) 恒定值時，係統顯示的ENOB值將大幅下降。

總結

美國國家半導體(ti) 公司憑借LMP90100和LMP91000器件，為(wei) 三種類型傳(chuan) 感器市場推出了完全可配置的模擬前端組件。這些器件代表了一個(ge) 完整係列傳(chuan) 感器AFE的首批產(chan) 品，該係列將在未來兩(liang) 年內(nei) 逐步推向市場。其他傳(chuan) 感器AFE目前正在開發當中，美國國家半導體(ti) 公司打算推出針對pH值、心電圖（ECG）、二氧化碳，以及稱重傳(chuan) 感器市場的解決(jue) 方案。這個(ge) 係列有助於(yu) 設計人員在短時間內(nei) 找到一個(ge) 可行的解決(jue) 方案。此外，AFE可適應現場變化的工作條件，即使是在設計完成後。每當傳(chuan) 感器改變時（如用熱敏電阻取代熱電組件），在實驗室中都可以迅速進行仿真，然後將有可能通過電子郵件、USB記憶棒或測量係統的遠程維護發送配置數據。這種方法為(wei) 需要更換的電子器件提供了一個(ge) 優(you) 於(yu) 分立式方案的成本優(you) 勢解決(jue) 方案。