截至目前為止，基于傳感器的應用設計要求為每一個系統量身定制優化的模擬解決方案。這類設計工作少則數天，多則幾個星期，往往涉及很多環節，包括選擇相關組件并建立原型，以便隨后創建布局，然后為首批即將投產的印刷電路板（PCB）進行測試。為了避免一次又一次從頭開始每一個新的任務，美國國家半導體公司開發出一種包含硬件和軟件組件的解決方案，不僅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。借助全新系列高精度傳感器模擬前端（Sensor AFE），設計工程師可以在短短幾個小時內為每個新的傳感器創建完美的解決方案。
傳感器模擬前端
單個傳感器模擬前端（AFE）不同于集所有功能與一身的“模擬FPGA”。“模擬FPGA”這種芯片有太多的弊端，因為需要大規模的封裝，芯片將會非常之大，這導致了昂貴的價格及大量的電能消耗。所以，它不符合設計人員的要求。
美國國家半導體公司開辟了新的途徑，為特定測量任務開發了量身定制的獨特集成電路，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（這將在本文的后面詳細解釋）。
前兩款傳感器AFE器件
就在幾個月前，美國國家半導體公司推出了傳感器AFE系列的前兩款器件：分別為用于溫度傳感器及慢橋配置（slow bridge-configuration）測量的LMP91000和用于氣體傳感器的LMP90100。未來，美國國家半導體公司將向市場推出幾款其他器件，例如用于測量pH值和稱重傳感器的型號。上述兩款IC在設計上有本質的區別。
LMP90100
LMP90100提供了一個高度集成的8通道輸入多路復用器的組合，是一個帶有可調增益系數和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
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），或偏移校準和放大。這些功能完全是在后臺執行的，不會對輸出數據流產生任何影響。此外，在外部時鐘出現故障的情況下，可以利用時鐘管理電路自動切換到使用內部時鐘供電。
由于復用器提供了7個單端輸入或4個差分輸入，該器件允許連接更多的傳感器，這可能要基于不同的技術實現。這方面一個很好的例子是，將一個熱電組件與位于該熱電組件下方的模擬溫度傳感器連接組合在一起，其中的溫度傳感器用于冷結點補償。用兩個熱電組件加兩個模擬傳感器，或者加兩個三線測量電阻或三個熱敏電阻，也可以直接連接到這個多功能組件。這樣傳感器管理功能能夠根據需要不斷檢查傳感器。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）單一傳感器，以避免測量數據流的任何干擾。
兩個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，允許使用阻性傳感器。
設計工程師能夠以二進制格式，在1和128系數之間調整隨后的放大器級增益。當增益高于16時，緊接第一個放大器級之后的緩沖器可改善總的測量效果，但是，這個緩沖器會消耗額外的功率。設計人員需要根據具體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溫度測量而優化的，在1.68和214.65樣本/秒（samples/second）之間。每當采樣率低于13.42時，芯片可保證無論是在50Hz或60Hz都不會出現失真。設計工程師可以單獨調整每個通道的采樣率。所提供的具體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。利用兩個差分通道，最大采樣率會因此達到214.65/2 = 107.33。用四個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的平均功耗小于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可以將傳感器與作為原電池（galvanic cell）工作的兩個電極連接在一起，或者根據安培原則運作將傳感器與三個電極連接在一起。當連接一個三電極傳感器時，LMP91000可作為一個恒電勢器（potentiostat）使用，當連接原電池（對地或對參考電壓）時，它也可作為一個緩沖器。適合這些傳感器的典型氣體示例列于表1。
表1：可用于檢測多種氣體的典型傳感器
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一氧化碳 |
氰化氫 |
臭氧 |
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氯化氫 |
二氧化硫 |
氯 |
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甲烷 |
一氧化氮 |
環氧乙烷 |
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氫 |
氨 |
磷 |
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硫化氫 |
氮氧化物 |
氧 |
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作為一個恒電勢器的作用。
圖2
傳感器配有三個電極：工作電極（Working Electrode，WE）、參考電極（Reference Electrode，RE）和反電極（Counter Electrode，CE）。如果氣體接觸到WE，它將氧化或減少電極，這種氧化過程建立了一個正/負電流，而電流的絕對值隨氣體濃度呈線性變化。隨著時間的推移，電極將隨氣體濃度的增加而銷毀。因此，定期更換傳感器是強制性的要求。每次更換傳感器都將改變電流值，這將導致測量誤差。為了判斷傳感器生命周期的當前狀態，可以利用“傳感器測試”的可能性。為了這個目的，傳感器要接收一個脈沖，產生一個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感器的實際情況。
RE是恒定的固定基準電位，位于電解質中，而不與任何氣體接觸。通過使用RE，傳感器AFE LMP91000能夠彌補工作電極的測量誤差。
與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于平衡狀態，這就是正在得到補償的“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670pA時，LMP91000有助于設計人員實現9.5μA/ppm至0.5nA/ppm范圍的靈敏度。
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。這要求它在短短幾個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”，設計工程師可以輕松地評估設計。用戶可在美國國家半導體的網頁直接訪問該軟件，只需點擊WEBENCH框中的“傳感器”標簽，然后選擇合適的類型的傳感器，再點擊“開始設計”即可(圖3)。
圖3
在這里，用戶可以選擇相應的傳感器——在這個例子中是一個由Tempco制造的K型熱組件。在選擇傳感器后，軟件立即提供了一個LMP90100的圖形鏈接（圖4）。所有必要的調整已經由系統預設好了：包括各個傳感器的選擇和輸入的分配，系統定義了所有的參數，如電流和參考源及增益。然后用戶可以選擇采樣率、后臺校準或傳感器測試功能。
圖4
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。只要把這樣的評估電路板連接到PC，設計工程師們就能夠從美國國家半導體公司的網站下載必要的離線軟件。除非電路板要用一個真正的傳感器直接測量，否則整個配置過程的方式和WEBENCH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，系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，但不適用于正常情況下使用的動態值。由于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，系統顯示的ENOB值將大幅下降。
總結
美國國家半導體公司憑借LMP90100和LMP91000器件，為三種類型傳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完整系列傳感器AFE的首批產品，該系列將在未來兩年內逐步推向市場。其他傳感器AFE目前正在開發當中，美國國家半導體公司打算推出針對pH值、心電圖（ECG）、二氧化碳，以及稱重傳感器市場的解決方案。這個系列有助于設計人員在短時間內找到一個可行的解決方案。此外，AFE可適應現場變化的工作條件，即使是在設計完成后。每當傳感器改變時（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，然后將有可能通過電子郵件、USB記憶棒或測量系統的遠程維護發送配置數據。這種方法為需要更換的電子器件提供了一個優于分立式方案的成本優勢解決方案。
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