【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(jiǎn)化了工程師設(shè)計(jì)傳感器的工作，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用方向值得推廣。
何謂壓力傳感信號(hào)調(diào)節(jié)器？
什么是壓力傳感信號(hào)調(diào)節(jié)器？如果用它來(lái)設(shè)計(jì)壓力傳感器的話，什么樣的指標(biāo)能說(shuō)明這顆芯片是適合的？TI半導(dǎo)體事業(yè)部中國(guó)區(qū)模擬業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理朱文斌解釋說(shuō)，信號(hào)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(hào)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(hào)變成絕對(duì)的線性輸出，難點(diǎn)就在于線性度是否夠好，因?yàn)樗苯記Q定了傳感器的精度。
這其中前端非線性信號(hào)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(qiáng)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(rèn)為一個(gè)好的壓力傳感器要具備以下三個(gè)特點(diǎn)：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(hào)以及溫度信號(hào)；第二，要具有強(qiáng)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(duì)壓力傳感信號(hào)調(diào)節(jié)器提出了較高的要求。
圖1：壓力傳感信號(hào)調(diào)節(jié)器工作原理
為什么選擇TI PGA900？
應(yīng)對(duì)上述需求，TI日前推出一款全新的壓力傳感信號(hào)調(diào)節(jié)器PGA900。這是一款高分辨率的壓力傳感信號(hào)調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)量。它同時(shí)還提供了一個(gè)可編程內(nèi)核，可在很多壓力性橋式傳感應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)靈活的線性化和溫度補(bǔ)償。
PGA900集成了2個(gè)用于高分辨率信號(hào)采集的低噪聲24位ADC，最大可達(dá)到10ppm/°C的低漂移電壓基準(zhǔn)可在 -40°C~150°C工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度感測(cè)。據(jù)朱文斌介紹，之所以集成了2個(gè)24位ADC，是因?yàn)橐粋€(gè)通道用來(lái)采集前端橋式應(yīng)變片的壓力信號(hào)（非線性信號(hào)），另外一個(gè)則用于溫度的采集。他進(jìn)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(shí)候系統(tǒng)溫度油壓會(huì)達(dá)到100℃甚至150℃，如果這時(shí)沒(méi)有很好的ADC對(duì)溫度特性做量化，在高溫時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，會(huì)導(dǎo)致在某些關(guān)鍵場(chǎng)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(hào)采集。
此外，PGA900內(nèi)置的ARM Cortex-M0內(nèi)核使開(kāi)發(fā)人員能夠用專有溫度與非線性補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)產(chǎn)品，單線制接口可以在不使用其它線路的情況下，通過(guò)電源引腳實(shí)現(xiàn)通信、配置和校準(zhǔn)，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?yàn)榭蛻粼O(shè)計(jì)帶來(lái)更大的靈活性，同時(shí)便于客戶進(jìn)行產(chǎn)品的差異化設(shè)計(jì)。這可以方便用戶自己在做非線性處理時(shí)寫(xiě)進(jìn)一階、兩階甚至到五階更高的代碼，從而設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的非線性到線性校正的產(chǎn)品，而且把核寫(xiě)在里面，可以形成獨(dú)特的IP保護(hù)。
此外，PGA900還集成了一個(gè)可用來(lái)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(jì)人員提供針對(duì)不同應(yīng)用需求的選項(xiàng)。
圖2：PGA900框圖
基于上述特性，PGA900最典型的應(yīng)用場(chǎng)合就是壓力傳感器，這會(huì)是它最典型的、最大的市場(chǎng)；其次，一些加速度計(jì)也是采用橋式的應(yīng)變片去實(shí)現(xiàn)；此外，還有濕度計(jì)、家用的體重計(jì)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(kāi)設(shè)計(jì)，而不用研究里面很復(fù)雜的軟硬件。
這不得不提到TI針對(duì)某一類應(yīng)用推出的針對(duì)性非常強(qiáng)的參考設(shè)計(jì)。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(guò)第三方專業(yè)的認(rèn)證和測(cè)試，從而大幅加快了客戶在傳感器方面的研發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)度。
TI半導(dǎo)體事業(yè)部中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳健鴻特別強(qiáng)調(diào)，目前中國(guó)在大舉推進(jìn)工業(yè)4.0的實(shí)施，這一方面需要重視工業(yè)控制，另一方面則離不開(kāi)大量的傳感器。因此未來(lái)幾年的時(shí)間內(nèi)，傳感器的市場(chǎng)需求會(huì)越來(lái)越大，TI會(huì)推出更多的傳感器+MCU或是模擬+MCU的整合IC。
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