傳感器接口

　　現今，大部份的電子儀器采用的是嵌入式系統。通常這些嵌入式系統包含傳感器、緩沖和調節信號的放大器、模/數轉換器，以及供數據處理和人機接口用的微控制器等。例如數據采集系統和數據記錄器就是這樣的系統。圖1表示出設有USB接口的數據采集系統的方塊圖。

圖1 具備USB接口的數據采集系統

　　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態范圍對于把傳感器的信號按比例放大到模數轉換器(ADC)的輸入范圍最為重要。將傳感器的敏感度乘以測量中實質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表示兩者之間的關系。

圖2 傳感器輸出與敏感度成函數關系

　　現將三個不同類型的溫度傳感器作比較，它們分別是熱電耦、RTD(電阻溫度檢測器)和LM35硅片溫度傳感器。

　　再參考圖1，可以發現PGA(可編程增益放大器)的作用是將傳感器的信號按比例放大至ADC的輸入范圍。由于要配合現今的USB、IP和其他通信鏈路的應用趨勢，故該PGA的增益功能最好能用微控制器以數字方式來控制。雖然現今有幾種不同的PGA供選擇，但用戶均傾向使用二進制式的放大方法，諸如是1, 2, 4, 8, 16…，或者是其他的放大倍級。對于這類數據采集系統而言，最理想的放大器應該在整個增益范圍內分為若干個小而均勻的增益量級。此外，通過將系統綜合，由軟件控制的功能以及在運作期間配置系統增益和信號路徑特性的能力，可以為儀器提供靈活的系統校正和其他調節功能。

　　美國國家半導體最近推出的LMP8100可編程放大器具備有新增的數字式可編程能力。通過使用標準的接口通信協定，可以在低成本高效率底下實現SPI總線、增益、頻率補償、零輸入和節電等功能。這些信號路徑功能皆由軟件控制，并為傳感器接口、失調修正和寬帶控制等設計帶來增值功能。

　　以下的部份將會討論一個具備單位增益的PGA在USB鏈接數據采集系統中的實現方法。

　　LMP8100的功能特色

　　LMP8100可實現四個可編程功能：

　　1. 非反相-增益可在從增益1至16間逐級單位選擇。

　　2. 內部頻率補償可以編程到四個數值中的其中一個。

　　3. 放大器的輸入可以從輸入信號脫離并連接到接地。放大器的失調電壓可被量度。

　　4. 放大器可以編程到節電模式以將功耗盡量減少。

　　圖3表示出一個LMP8100的簡化原理圖。

圖3 LMP8100 的原理圖

　　LMP8100的功能是用八位的二進制數值來編程，并且被位移入一個串行數據輸入接腳內。表2表示出控制寄存器的位分配。

　　表3 表示出增益、零和節電邏輯電平的工作分配。

　　表4 表示出頻率補償的邏輯電平工作分配。

　　最小補償

　　在串行時鐘引腳上的時鐘計時下，將八位的數據位移入串行數據輸入引腳來完成即可完成控制寄存器的編程。圖4是將數據位移入控制寄存器的時序圖。圖中可見該控制寄存器的雙重緩沖和載入可分成兩個步驟。第一個步驟是利用八個時鐘周期將數據位移入移位寄存器。然后，移位寄存器內的數據會被平行傳輸到芯片選擇信號的上升邊沿處的保持寄存器內，而保持寄存器的輸出會用來選擇增益、頻率補償、節電和零輸入等功能。采用這種方法可防止放大器的狀態出現轉變，直至數據被正確位移入移位寄存器為止。

圖4 LMP8100 串行數據傳送

　　先前出現的數據將會用來設計一個應用在USB數據采集系統中的可編程增益放大器。假如已決定采用一個具備有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普通傳感器的輸出放大至這個數值呢?這時，簡單地檢討一下傳感器的敏感度和量度出來的變數跨度，便可發現一個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。下列數式EQ1表示出有關的計算。

最大增益 = 全幅輸入/最大傳感器輸出 = 4.096V/0.020V = 204.8 (1)

　　這個由1至205的最大增益范圍可通過把兩個LMP8100串聯在一起來實現。將兩個放大級的增益串聯在一起可增加幅度，從而令到可編程的增益范圍擴大到1至256。圖5是將兩個LMP8100串聯在一起的實現方法。每一個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并以每單位增量級計。

圖5 適用于數據采集系統的可編程放大器

　　除了可編程增益之外，放大器的其他功能都可經程序來控制。在大多數的數據采集和記錄應用中，測量一般都是在固定的時間間隔上執行。例如，每兩秒或每10秒等。在這些應用中，放大器都可進入節電狀態，而每個放大器的功耗會降低至40μA。這個功能可以削減便攜系統中的平均電源電流消耗，從而延長電池的壽命。

　　零功能的作用是通過軟件來修正放大器中的失調電壓。軟件程序會為預期的測量設定一個增益，并在放大器A1內設立一個零位寬。在這種配置中，放大器A2的輸出電壓便是預期測量用的失調電壓，而這個數值會被軟件存儲并留待下一個步驟使用。然后，A1中的零位會被清除，而測量會在這時執行，同時失調電壓數值會從信號測量得來的數值減去。采用這種方法，任何給定增益設定下的失調電壓和失調電壓漂移便可獲得補償。

　　LMP8100的可編程頻率補償能夠在有需要時在高增益下擴大頻寬。表5表示出為頻率補償位的設定而在幾個不同增益設定下的放大器頻寬。從圖中可見，在控制寄存器內設定一個補償位會減少放大器的內部頻率補償數量。在低增益下，是有可能出現放大器和振鈴補償不足的情況，甚至有可能出現振蕩。

　　參看圖5，可發現有一個0.25V的負電源電壓功能加入了設計。該功能可在維持放大器上的電壓低于最高運作電壓5.5V的同時，修正單電源設計的兩個問題：

　　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，如假設一個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的最低輸出電壓會乘以A1的增益設定。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是一個具備低噪聲可調節線性穩壓器的開關式電容反相器。通過采用一個負2.5V電壓參考，加上反饋電阻器R1和R2和LM2787的內部電壓參考，便產生出一個0.25V的負電源電壓。通過供給一個細小的負電壓給LMP8100，就解決了零伏的輸出擺低問題，以及上述提及過的兩個問題。

　　總之，本文討論的可編程增益放大器的設計擁有優質的增益控制，適用于各類傳感器接口應用。