【導(dǎo)讀】傳感器已經(jīng)成為物理與電子世界相關(guān)聯(lián)的接口器件，在工業(yè)、汽車、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本文講述了一款只為壓力而生的壓力傳感器，最大程度上簡化了工程師設(shè)計傳感器的工作，在設(shè)計和應(yīng)用方向值得推廣。
何謂壓力傳感信號調(diào)節(jié)器？
什么是壓力傳感信號調(diào)節(jié)器？如果用它來設(shè)計壓力傳感器的話，什么樣的指標能說明這顆芯片是適合的？TI半導(dǎo)體事業(yè)部中國區(qū)模擬業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理朱文斌解釋說，信號調(diào)節(jié)器的主要目的是處理非線性的傳感單元的輸出，將其信號調(diào)理后再提供給外部控制電路。其中非線性隨著溫度、壓力變化的信號變成絕對的線性輸出，難點就在于線性度是否夠好，因為它直接決定了傳感器的精度。
這其中前端非線性信號的量化精度取決于ADC的精度；然后，將非線性轉(zhuǎn)為線性需要強大的處理內(nèi)核；之后就是輸出接口（0—5V、0-10V，或者工業(yè)類通用的4-20mA）。基于此，朱文斌認為一個好的壓力傳感器要具備以下三個特點：第一，它需要高精度的前端，去采集非線性的橋式應(yīng)變片信號以及溫度信號；第二，要具有強大的內(nèi)核，能做非線性到線性的處理；第三，整體芯片的集成度要高，從而能夠?qū)崿F(xiàn)小型化。這也對壓力傳感信號調(diào)節(jié)器提出了較高的要求。
圖1：壓力傳感信號調(diào)節(jié)器工作原理
為什么選擇TI PGA900？
應(yīng)對上述需求，TI日前推出一款全新的壓力傳感信號調(diào)節(jié)器PGA900。這是一款高分辨率的壓力傳感信號調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)了對壓力、應(yīng)力、流量以及液體水平面等條件的快速精確的24位測量。它同時還提供了一個可編程內(nèi)核，可在很多壓力性橋式傳感應(yīng)用中實現(xiàn)靈活的線性化和溫度補償。
PGA900集成了2個用于高分辨率信號采集的低噪聲24位ADC，最大可達到10ppm/°C的低漂移電壓基準可在 -40°C~150°C工作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度感測。據(jù)朱文斌介紹，之所以集成了2個24位ADC，是因為一個通道用來采集前端橋式應(yīng)變片的壓力信號（非線性信號），另外一個則用于溫度的采集。他進一步解釋，溫度在壓力傳感器中是很重要的因素，壓力傳感器通常工作在60℃，但有時候系統(tǒng)溫度油壓會達到100℃甚至150℃，如果這時沒有很好的ADC對溫度特性做量化，在高溫時進行補償，會導(dǎo)致在某些關(guān)鍵場合下系統(tǒng)失效。因此TI在PGA900中集成了兩顆高精度的ADC，希望能在-40—150℃范圍內(nèi)完成比較好的信號采集。
此外，PGA900內(nèi)置的ARM Cortex-M0內(nèi)核使開發(fā)人員能夠用專有溫度與非線性補償算法設(shè)計產(chǎn)品，單線制接口可以在不使用其它線路的情況下，通過電源引腳實現(xiàn)通信、配置和校準，而集成的電源管理電路還可滿足3.3V~30V之間的外部電源電壓輸入需求。為什么采用Cortex-M0？朱文斌表示，集成M0能夠為客戶設(shè)計帶來更大的靈活性，同時便于客戶進行產(chǎn)品的差異化設(shè)計。這可以方便用戶自己在做非線性處理時寫進一階、兩階甚至到五階更高的代碼，從而設(shè)計出優(yōu)秀的非線性到線性校正的產(chǎn)品，而且把核寫在里面，可以形成獨特的IP保護。
此外，PGA900還集成了一個可用來提供高線性模擬輸出的14位DAC以及多種輸出接口，包括模擬電壓、4-20mA電流回路、串行外設(shè)接口(SPI)、I2C、通用異步收發(fā)器(UART)和單線制接口(OWI)，可為設(shè)計人員提供針對不同應(yīng)用需求的選項。
圖2：PGA900框圖
基于上述特性，PGA900最典型的應(yīng)用場合就是壓力傳感器，這會是它最典型的、最大的市場；其次，一些加速度計也是采用橋式的應(yīng)變片去實現(xiàn)；此外，還有濕度計、家用的體重計等，其前端傳感器也是橋式的，這些都屬于PGA900應(yīng)用范疇。
TI在傳感器方面的發(fā)展方向
TI在傳感器產(chǎn)品的發(fā)展方向是什么？朱文斌用一句話概括為“做更好的芯片，做更優(yōu)秀的TI Design”。首先在芯片方面，從離散芯片到模擬集成再到Sensor Hub，TI致力于使芯片的集成度更高、精度更高。而圍繞芯片，TI又做了很多配套的工作，包括軟件、硬件，主要目的是便于客戶拿到產(chǎn)品就可展開設(shè)計，而不用研究里面很復(fù)雜的軟硬件。
這不得不提到TI針對某一類應(yīng)用推出的針對性非常強的參考設(shè)計。以其用于溫度變送器的某款A(yù)DC為例，TI甚至提供了經(jīng)過第三方專業(yè)的認證和測試，從而大幅加快了客戶在傳感器方面的研發(fā)設(shè)計進度。
TI半導(dǎo)體事業(yè)部中國區(qū)業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳健鴻特別強調(diào)，目前中國在大舉推進工業(yè)4.0的實施，這一方面需要重視工業(yè)控制，另一方面則離不開大量的傳感器。因此未來幾年的時間內(nèi)，傳感器的市場需求會越來越大，TI會推出更多的傳感器+MCU或是模擬+MCU的整合IC。
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