LMP91050：用于非色散紅外（NDIR）傳感應(yīng)用的可配置AFE

在電子工程領(lǐng)域，傳感器模擬前端（AFE）對(duì)于準(zhǔn)確采集和處理傳感器信號(hào)至關(guān)重要。德州儀器（TI）的LMP91050是一款專為非色散紅外（NDIR）傳感應(yīng)用優(yōu)化的可編程集成AFE，下面我們來(lái)詳細(xì)了解它。

文件下載：lmp91050.pdf

一、關(guān)鍵特性與規(guī)格

特性亮點(diǎn)

• 可編程增益放大器：提供低增益（167 V/V - 1335 V/V）和高增益（1002 V/V - 7986 V/V）兩種模式，每種模式有四個(gè)可編程增益設(shè)置，能適應(yīng)不同靈敏度的熱電堆傳感器。
• 暗信號(hào)偏移消除：通過內(nèi)部DAC調(diào)整輸出電壓的直流偏移，補(bǔ)償暗信號(hào)，確保系統(tǒng)在不同溫度下的準(zhǔn)確性。
• 支持外部濾波：可通過專用引腳A0和A1進(jìn)行額外的信號(hào)濾波（高通、低通或帶通），有效去除帶外噪聲。
• 共模發(fā)生器和8位DAC：共模電壓可編程為1.15 V或2.59 V，增加輸出動(dòng)態(tài)范圍；DAC用于調(diào)整輸出偏移。

關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

二、應(yīng)用領(lǐng)域

LMP91050的應(yīng)用十分廣泛，主要集中在NDIR傳感相關(guān)領(lǐng)域：

• 需求控制通風(fēng)：精確監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)控制。
• 建筑監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)的氣體濃度，保障環(huán)境安全。
• 汽車二氧化碳座艙控制：維持車內(nèi)二氧化碳濃度在合理范圍，提升駕乘舒適度。
• 汽車酒精檢測(cè)：快速準(zhǔn)確檢測(cè)駕駛員酒精含量，保障行車安全。
• 工業(yè)安全與保障：對(duì)工業(yè)環(huán)境中的有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，預(yù)防事故發(fā)生。
• 溫室氣體和氟利昂檢測(cè)平臺(tái)：助力環(huán)境保護(hù)和工業(yè)生產(chǎn)中的氣體監(jiān)測(cè)。

三、詳細(xì)描述

功能框圖與工作原理

LMP91050的輸入通道有兩個(gè)可編程增益級(jí)，用戶可靈活優(yōu)化系統(tǒng)增益。內(nèi)部DAC能獨(dú)立于提供給傳感器的共模電壓調(diào)整輸出電壓的直流偏移，使采樣信號(hào)在ADC滿量程輸入范圍內(nèi)居中。

特性詳細(xì)說明

1. 可編程增益放大器：通過GAIN1和GAIN2[1:0]位可訪問所有增益設(shè)置。高增益模式下，輸入信號(hào)參考內(nèi)部生成的VCM電壓，應(yīng)在±2 mV以內(nèi)；低增益模式下，第一級(jí)提供42 V/V的增益，允許最大輸入信號(hào)達(dá)±12 mV。
2. 外部濾波：通過EXT_FILT位可選擇兩種測(cè)量模式。當(dāng)EXT_FILT = 1時(shí)，可連接外部低通、高通或帶通濾波器。
3. 偏移調(diào)整：先測(cè)量暗信號(hào)，然后編程DAC進(jìn)行調(diào)整，再測(cè)量暗信號(hào)的殘余量，以便在微控制器內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理。低輸出偏移電壓溫度漂移（TCVOS）確保了系統(tǒng)在不同溫度下的準(zhǔn)確性。
4. 共模生成：為傳感器提供可編程的共模電壓（1.15 V或2.59 V），但不建議在3.3 V電源下使用2.59 V的VCM。
5. CSB和SCLK：CSB是低電平有效信號(hào)，在一次交易中需保持有效；SCLK在寫交易時(shí)可空閑為高或低，但讀交易時(shí)必須空閑為高。

設(shè)備功能模式與編程

1. 功能模式：讀取LMP91050的寄存器時(shí)，需使用特殊序列寫入SDIO模式使能寄存器。在讀取過程中，模擬OUT引腳仍正常工作。
2. 編程：通過SPI接口對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行編程，包括兩級(jí)PGA增益、啟用外部濾波、啟用PGA電源、偏移調(diào)整和共模電壓等。SPI接口的寄存器組織為可單獨(dú)尋址的字節(jié)長(zhǎng)寄存器，具有唯一地址。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

典型應(yīng)用電路

典型的NDIR傳感應(yīng)用電路中，需要確定熱電堆的特性、合適的增益和共模電壓，選擇支持所需分辨率和更新速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，確定級(jí)間低通濾波器的帶寬，并通過SPI接口與微控制器或其他邏輯設(shè)備連接以配置LMP91050。

設(shè)計(jì)步驟

1. 選擇合適的級(jí)間帶通濾波器帶寬，將共模電壓（CMOUT）連接到熱電堆和帶通濾波器。
2. 在OUT引腳和ADC輸入之間插入低通濾波器，進(jìn)一步降低信號(hào)噪聲并防止混疊。
3. 進(jìn)行電源旁路處理，確保電源穩(wěn)定。
4. 根據(jù)熱電堆特性，選擇要編程到LMP91050中的共模電壓和增益，使熱電堆的預(yù)期動(dòng)態(tài)范圍在ADC滿量程范圍內(nèi)居中，并補(bǔ)償信號(hào)路徑中濾波器的損耗。
5. 可通過編程內(nèi)部DAC進(jìn)一步優(yōu)化OUT引腳的信號(hào)范圍。

五、電源與布局建議

電源建議

由于LMP91050用于采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，需確保電源噪聲在可接受水平以下。雖然該設(shè)備在寬頻率范圍內(nèi)具有出色的電源抑制能力，但仍需進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫磁月诽幚怼Ｈ羰褂?a target="_blank">開關(guān)電源，可能需要額外的濾波。

布局指南

所有組件應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置，特別是連接到VDD的旁路電容器。合理的布局有助于減少噪聲干擾，提高系統(tǒng)性能。

六、總結(jié)

LMP91050憑借其豐富的特性和出色的性能，為NDIR傳感應(yīng)用提供了一個(gè)完整的信號(hào)路徑解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)具體需求靈活配置該設(shè)備，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度的傳感器信號(hào)采集和處理。你在使用LMP91050的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。