傳感器接口
現(xiàn)今，大部份的電子儀器采用的是嵌入式系統(tǒng)。通常這些嵌入式系統(tǒng)包含傳感器、緩沖和調(diào)節(jié)信號(hào)的放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及供數(shù)據(jù)處理和人機(jī)接口用的微控制器等。例如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄器就是這樣的系統(tǒng)。圖1表示出設(shè)有USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方塊圖。
圖1 具備USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
在輸出端上的傳感器擁有一系列的特性。其中，傳感器的敏感度和動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于把傳感器的信號(hào)按比例放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入范圍最為重要。將傳感器的敏感度乘以測(cè)量中實(shí)質(zhì)量的最大值便等于傳感器的最大輸出值。在很多情況下，傳感器的輸出必須被放大才可以充分利用ADC的輸入范圍。圖2表示兩者之間的關(guān)系。
圖2 傳感器輸出與敏感度成函數(shù)關(guān)系
現(xiàn)將三個(gè)不同類型的溫度傳感器作比較，它們分別是熱電耦、RTD(電阻溫度檢測(cè)器)和LM35硅片溫度傳感器。
再參考圖1，可以發(fā)現(xiàn)PGA(可編程增益放大器)的作用是將傳感器的信號(hào)按比例放大至ADC的輸入范圍。由于要配合現(xiàn)今的USB、IP和其他通信鏈路的應(yīng)用趨勢(shì)，故該P(yáng)GA的增益功能最好能用微控制器以數(shù)字方式來(lái)控制。雖然現(xiàn)今有幾種不同的PGA供選擇，但用戶均傾向使用二進(jìn)制式的放大方法，諸如是1, 2, 4, 8, 16…，或者是其他的放大倍級(jí)。對(duì)于這類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，最理想的放大器應(yīng)該在整個(gè)增益范圍內(nèi)分為若干個(gè)小而均勻的增益量級(jí)。此外，通過(guò)將系統(tǒng)綜合，由軟件控制的功能以及在運(yùn)作期間配置系統(tǒng)增益和信號(hào)路徑特性的能力，可以為儀器提供靈活的系統(tǒng)校正和其他調(diào)節(jié)功能。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體最近推出的LMP8100可編程放大器具備有新增的數(shù)字式可編程能力。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的接口通信協(xié)定，可以在低成本高效率底下實(shí)現(xiàn)SPI總線、增益、頻率補(bǔ)償、零輸入和節(jié)電等功能。這些信號(hào)路徑功能皆由軟件控制，并為傳感器接口、失調(diào)修正和寬帶控制等設(shè)計(jì)帶來(lái)增值功能。
以下的部份將會(huì)討論一個(gè)具備單位增益的PGA在USB鏈接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法。
LMP8100的功能特色
LMP8100可實(shí)現(xiàn)四個(gè)可編程功能：
1. 非反相-增益可在從增益1至16間逐級(jí)單位選擇。
2. 內(nèi)部頻率補(bǔ)償可以編程到四個(gè)數(shù)值中的其中一個(gè)。
3. 放大器的輸入可以從輸入信號(hào)脫離并連接到接地。放大器的失調(diào)電壓可被量度。
4. 放大器可以編程到節(jié)電模式以將功耗盡量減少。
圖3表示出一個(gè)LMP8100的簡(jiǎn)化原理圖。
圖3 LMP8100 的原理圖
LMP8100的功能是用八位的二進(jìn)制數(shù)值來(lái)編程，并且被位移入一個(gè)串行數(shù)據(jù)輸入接腳內(nèi)。表2表示出控制寄存器的位分配。
表3 表示出增益、零和節(jié)電邏輯電平的工作分配。
表4 表示出頻率補(bǔ)償?shù)倪壿嬰娖焦ぷ鞣峙洹?/p>
最小補(bǔ)償
在串行時(shí)鐘引腳上的時(shí)鐘計(jì)時(shí)下，將八位的數(shù)據(jù)位移入串行數(shù)據(jù)輸入引腳來(lái)完成即可完成控制寄存器的編程。圖4是將數(shù)據(jù)位移入控制寄存器的時(shí)序圖。圖中可見(jiàn)該控制寄存器的雙重緩沖和載入可分成兩個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是利用八個(gè)時(shí)鐘周期將數(shù)據(jù)位移入移位寄存器。然后，移位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)會(huì)被平行傳輸?shù)叫酒x擇信號(hào)的上升邊沿處的保持寄存器內(nèi)，而保持寄存器的輸出會(huì)用來(lái)選擇增益、頻率補(bǔ)償、節(jié)電和零輸入等功能。采用這種方法可防止放大器的狀態(tài)出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，直至數(shù)據(jù)被正確位移入移位寄存器為止。
圖4 LMP8100串行數(shù)據(jù)傳送
先前出現(xiàn)的數(shù)據(jù)將會(huì)用來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用在USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的可編程增益放大器。假如已決定采用一個(gè)具備有4.096V參考的12位ADC，其分辨率為1mV，那需要用多少的增益才可將一個(gè)普通傳感器的輸出放大至這個(gè)數(shù)值呢?這時(shí)，簡(jiǎn)單地檢討一下傳感器的敏感度和量度出來(lái)的變數(shù)跨度，便可發(fā)現(xiàn)一個(gè)已給傳感器的全幅輸出范圍可由2mV 至3V。這意味最高的增益約為205。下列數(shù)式EQ1表示出有關(guān)的計(jì)算。
最大增益 = 全幅輸入/最大傳感器輸出 = 4.096V/0.020V = 204.8 (1)
這個(gè)由1至205的最大增益范圍可通過(guò)把兩個(gè)LMP8100串聯(lián)在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)。將兩個(gè)放大級(jí)的增益串聯(lián)在一起可增加幅度，從而令到可編程的增益范圍擴(kuò)大到1至256。圖5是將兩個(gè)LMP8100串聯(lián)在一起的實(shí)現(xiàn)方法。每一個(gè)放大器都可將增益編程到由1至16，所以總增益范圍便是1至256并以每單位增量級(jí)計(jì)。
圖5 適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可編程放大器
除了可編程增益之外，放大器的其他功能都可經(jīng)程序來(lái)控制。在大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集和記錄應(yīng)用中，測(cè)量一般都是在固定的時(shí)間間隔上執(zhí)行。例如，每?jī)擅牖蛎?0秒等。在這些應(yīng)用中，放大器都可進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，而每個(gè)放大器的功耗會(huì)降低至40μA。這個(gè)功能可以削減便攜系統(tǒng)中的平均電源電流消耗，從而延長(zhǎng)電池的壽命。
零功能的作用是通過(guò)軟件來(lái)修正放大器中的失調(diào)電壓。軟件程序會(huì)為預(yù)期的測(cè)量設(shè)定一個(gè)增益，并在放大器A1內(nèi)設(shè)立一個(gè)零位寬。在這種配置中，放大器A2的輸出電壓便是預(yù)期測(cè)量用的失調(diào)電壓，而這個(gè)數(shù)值會(huì)被軟件存儲(chǔ)并留待下一個(gè)步驟使用。然后，A1中的零位會(huì)被清除，而測(cè)量會(huì)在這時(shí)執(zhí)行，同時(shí)失調(diào)電壓數(shù)值會(huì)從信號(hào)測(cè)量得來(lái)的數(shù)值減去。采用這種方法，任何給定增益設(shè)定下的失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移便可獲得補(bǔ)償。
LMP8100的可編程頻率補(bǔ)償能夠在有需要時(shí)在高增益下擴(kuò)大頻寬。表5表示出為頻率補(bǔ)償位的設(shè)定而在幾個(gè)不同增益設(shè)定下的放大器頻寬。從圖中可見(jiàn)，在控制寄存器內(nèi)設(shè)定一個(gè)補(bǔ)償位會(huì)減少放大器的內(nèi)部頻率補(bǔ)償數(shù)量。在低增益下，是有可能出現(xiàn)放大器和振鈴補(bǔ)償不足的情況，甚至有可能出現(xiàn)振蕩。
參看圖5，可發(fā)現(xiàn)有一個(gè)0.25V的負(fù)電源電壓功能加入了設(shè)計(jì)。該功能可在維持放大器上的電壓低于最高運(yùn)作電壓5.5V的同時(shí)，修正單電源設(shè)計(jì)的兩個(gè)問(wèn)題：
1. 考慮到A2的輸入為零伏，LMP8100的典型輸出擺幅低為50mV，但可高至150mV。在這種情況下，如假設(shè)一個(gè)12位的ADC其電壓參考為4.096V，那由低50到150mV的ADC的代碼并不可使用。
2. 考慮到A1的輸入為零伏，那50至150 mV的最低輸出電壓會(huì)乘以A1的增益設(shè)定。在這種情況下，A2的最低輸出電壓可以高至2.4V(0.150 x 16)。同樣地，假設(shè)電壓參考為4.096V，這意味ADC的輸入范圍有59%是不能使用。
LM2787是一個(gè)具備低噪聲可調(diào)節(jié)線性穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)式電容反相器。通過(guò)采用一個(gè)負(fù)2.5V電壓參考，加上反饋電阻器R1和R2和LM2787的內(nèi)部電壓參考，便產(chǎn)生出一個(gè)0.25V的負(fù)電源電壓。通過(guò)供給一個(gè)細(xì)小的負(fù)電壓給LMP8100，就解決了零伏的輸出擺低問(wèn)題，以及上述提及過(guò)的兩個(gè)問(wèn)題。
總之，本文討論的可編程增益放大器的設(shè)計(jì)擁有優(yōu)質(zhì)的增益控制，適用于各類傳感器接口應(yīng)用。