探索LMP91051：用于非色散紅外（NDIR）傳感應用的可配置AFE

在電子工程師的日常設計工作中，為特定應用選擇合適的模擬前端（AFE）至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一款專為非色散紅外（NDIR）傳感應用優(yōu)化的可配置AFE——LMP91051。

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一、LMP91051概述

LMP91051是一款雙通道可編程集成傳感器模擬前端，特別針對熱電堆傳感器進行了優(yōu)化，常用于NDIR應用。它能在傳感器和微控制器之間提供完整的信號路徑解決方案，輸出電壓與熱電堆電壓成正比。其可編程特性使得一個設計就能支持多個熱電堆傳感器，避免了使用多個分立解決方案。

二、關(guān)鍵特性

2.1 雙通道輸入

具備雙通道輸入能力，可同時處理兩路信號，為多通道傳感應用提供了便利。

2.2 可編程增益放大器（PGA）

提供兩種可編程增益模式（低/高），每種模式有四種可編程增益設置。低增益模式范圍為167V/V至1335V/V，高增益模式范圍為1002V/V至7986V/V，能適應不同靈敏度的熱電堆傳感器。

2.3 “暗信號”偏移消除

通過抵消“暗信號”，優(yōu)化了ADC的滿量程使用，降低了ADC分辨率要求，提高了系統(tǒng)的準確性。

2.4 支持外部濾波

可通過專用引腳A0和A1進行額外的信號濾波（高通、低通或帶通），有效去除帶外噪聲。

2.5 共模發(fā)生器和8位DAC

共模發(fā)生器可提供1.15V或2.59V的共模電壓，增加了輸出動態(tài)范圍。8位DAC用于偏移調(diào)整。

2.6 封裝形式

采用14引腳TSSOP封裝，體積小巧，適合空間受限的應用。

三、應用領(lǐng)域

LMP91051的應用十分廣泛，主要包括以下幾個方面：

3.1 NDIR傳感

在氣體檢測領(lǐng)域，如二氧化碳（CO?）檢測、酒精檢測等，利用NDIR技術(shù)實現(xiàn)高精度的氣體濃度測量。

3.2 需求控制通風

用于建筑物的通風系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量實時調(diào)整通風量，提高能源效率。

3.3 建筑物監(jiān)控

監(jiān)測建筑物內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、氣體濃度等，保障建筑物的安全和舒適。

3.4 汽車應用

如CO?座艙控制和酒精檢測，為汽車的安全性和舒適性提供保障。

3.5 工業(yè)安全與安保

檢測工業(yè)環(huán)境中的有害氣體，保障工作人員的安全。

3.6 溫室氣體和氟利昂檢測平臺

用于環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)生產(chǎn)中的氣體檢測。

四、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

4.1 可編程增益

范圍從167V/V到7986V/V，可根據(jù)實際需求靈活調(diào)整。

4.2 低噪聲

在0.1至10Hz頻率范圍內(nèi)，噪聲僅為0.1μVRMS，確保了信號的高質(zhì)量。

4.3 增益漂移

典型值為20ppm/°C，保證了增益在不同溫度下的穩(wěn)定性。

4.4 相位延遲漂移

典型值為300ns，減少了信號傳輸過程中的延遲誤差。

4.5 電源電壓范圍

2.7V至5.5V，可適應不同的電源環(huán)境。

五、功能描述

5.1 可編程增益放大器

LMP91051的PGA提供兩種增益模式和多種增益設置，通過GAIN1和GAIN2 [1:0]位進行控制。在高增益模式下，輸入信號應在+/-2mV范圍內(nèi)；低增益模式下，最大輸入信號可達+/-12mV。

5.2 外部濾波

通過EXT_FILT位選擇測量模式，當EXT_FILT = 1時，可連接外部濾波器，如典型的帶通濾波器，進一步優(yōu)化信號質(zhì)量。

5.3 偏移調(diào)整

先測量“暗信號”，然后通過編程DAC進行調(diào)整，再測量殘余暗信號，以確保系統(tǒng)在不同溫度下的準確性。

5.4 共模生成

可提供1.15V或2.59V的共模電壓，為傳感器提供合適的偏置。但不建議在3.3V電源下使用2.59V的VCM。

5.5 SPI接口

用于編程設備參數(shù)，如PGA增益、外部濾波、PGA電源、偏移調(diào)整和共模電壓等。接口包括SDIO、SCLK和CSB引腳，支持讀寫操作。

六、應用信息

6.1 NDIR氣體傳感原理

NDIR技術(shù)基于氣體分子對特定波長紅外光的吸收特性。以CO?為例，其在4.26μm波長處有強吸收，通過帶通濾波器去除其他波長的光，利用熱電堆檢測光強度變化，從而測量氣體濃度。

6.2 傳統(tǒng)離散運放信號調(diào)理

傳統(tǒng)的NDIR系統(tǒng)通常使用離散運放進行增益級設計，需要AC耦合來消除信號鏈偏移，設計較為復雜。

6.3 LMP91051傳感器AFE在NDIR氣體傳感中的應用

LMP91051集成了離散運放的功能，節(jié)省了設計時間和復雜度。它的雙通道PGA可輕松連接雙通道NDIR傳感器，通過消除光源偏差引起的誤差，提高了系統(tǒng)的準確性。同時，其可編程增益和偏移調(diào)整功能可確保熱電堆輸出信號與ADC的動態(tài)范圍匹配，提高系統(tǒng)分辨率。

6.4 LMP91051氣體檢測系統(tǒng)

以LMP91051為核心的氣體檢測系統(tǒng)，采用Alphasense IRC - AT NDIR傳感器，包括IR燈、兩個熱電堆通道和一個用于溫度校準的熱敏電阻。IR燈以1至3Hz的頻率、50%的占空比進行調(diào)制，以節(jié)省功率并避免設備過熱。LMP91051的輸出由MSP430微控制器通過SPI進行編程和采樣。

6.5 氣體檢測方法和設置

在雙通道NDIR系統(tǒng)中，通過比較有源通道和參考通道的峰 - 峰波形電壓來提高測量準確性。在多路復用雙通道系統(tǒng)中，以較高的速率切換通道，并在切換前對每個通道進行多次采樣，以確保準確采樣。

七、總結(jié)

LMP91051作為一款專為NDIR傳感應用設計的可配置AFE，具有眾多優(yōu)勢，如可編程增益、低噪聲、偏移消除等。它不僅簡化了設計，提高了系統(tǒng)的準確性和可靠性，還能適應多種應用場景。電子工程師在設計NDIR傳感系統(tǒng)時，LMP91051是一個值得考慮的選擇。大家在實際應用中是否遇到過類似的AFE選型問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。