Jednym z trudniejszych zadań w projektowaniu układów pomiarowych są analogowe obwody wejściowe, odpowiadające za „kondycjonowanie” sygnałów z czujników pomiarowych. Szczególnie trudne jest zbudowanie toru wejściowego potrafiącego współpracować z wieloma typami czujników jednocześnie, dzięki czemu można jednocześnie mierzyć wiele parametrów fizycznych monitorowanego procesu.

Nowoczesne rozwiązanie tego problemu zaproponowała firma National Semiconductor, wprowadzając do produkcji konfigurowalne układy analogowe AFE (Analog Front End) oraz oprogramowanie narzędziowe umożliwiające ich dostosowanie do wymogów aplikacji. Pomysł, który prezentujemy w artykule, jest dość nowy (ostatnie miesiące 2010 roku), dlatego w ofercie producenta znajdują dwa układy scalone należące do rodziny AFE, ale ich budowa i wynikające z niej możliwości spełniają większość spodziewanych wymogów.

LMP90100: uniwersalny układ wejściowy

Układ LMP90100 pojawił się na rynku jako pierwszy w rodzinie AFE, jego budowę pokazano na rysunku 1. Jednym z najważniejszych bloków wewnętrznych tego układu jest 24-bitowy przetwornik A/C (sigma-delta) o częstotliwości próbkowania programowanej w zakresie od 1,7 do niemal 215 próbek na sekundę. Przetwornik wyposażono w system autokalibracji oraz filtr służący do minimalizowania wpływu zakłóceń sieciowych (50 lub 60 Hz) na wyniki pomiarów.

Rys. 1. Schemat blokowy układu LMP90100 z zaznaczonymi blokami konfigurowalnymi

Sygnał podawany na wejście przetwornika A/C może być wzmacniany za pomocą dwustopniowego wzmacniacza o programowanym wzmocnieniu (od 1 do 128 V/V), przy czym wzmacniacz oraz bufor wejściowy mogą pracować w konfiguracji różnicowej lub symetrycznej, w zależności od rodzaju sensora dołączonego do wejść układu. W torze wejściowym producent zastosował 8-kanałowy multiplekser analogowy, który umożliwia wykonywanie pomiarów w 4 kanałach różnicowych lub 7 asymetrycznych.
W przypadku wykorzystywania czujników zasilanych prądowo (np. mostków), konstruktorzy urządzeń pomiarowych bazujących na układzie LMP90100 mają uproszczone zadanie, bowiem wyposażono go w dwa programowane źródła prądowe o wydajności do 1 mA. Dzięki wyposażeniu torów wejściowych w analogowy system diagnostyczny prezentowany układ może samodzielnie wykryć fakt zwarcia wyprowadzeń czujnika lub przerwę w jego obwodzie, co minimalizuje ryzyko wykonanie błędnych pomiarów. System ochrony jakości pomiarów wprowadzono także „po stronie” cyfrowej: dane przesyłane z układu LPM90100 za pomocą interfejsu SPI do mikrokontrolera są zabezpieczane sumą kontrolną CRC, co ogranicza ryzyko powstania błędnych odczytów.
LMP91000: AFE dla chemikówDuża liczba kanałów wejściowych pozwala dołączać do układu LPM90100 kilka czujników jednocześnie, dzięki czemu pojedynczy układ AFE spełnia rolę kompletnego interfejsu mierzącego np. temperaturę, wilgotność i ciśnienie. Żeby ułatwić odczyt danych z kilku czujników, konstruktorzy układu wyposażyli go w programowany sekwencer odczytu, który może pracować w kilku trybach, począwszy od zewnętrznego wyzwalania aż po samoczynne odczyty kanałów w ustalonej kolejności.
Prezentowany układ wyposażono także w 7-bitowy, cyfrowy port I/O (dostępny poprzez SPI), który można wykorzystać do sterowania LED, przekaźników lub kluczy ustalających zakres w dzielniku wejściowym lub w dowolny inny, wygodny w aplikacji sposób. Port cyfrowy można wykorzystać także do odczytu stanu styków klawiatury lub monitorowania dowolnych stanów cyfrowych.
Pomimo niewielkiego poboru mocy, układ LMP90100 wyposażono w system oszczędzania energii, który pozwala go programowo deaktywować (dostępne są tryby: stand-by oraz power-down).
Prostotę aplikacyjną prezentowanego układu dopełnia fakt dostarczania go łatwej w montażu w obudowie SOIC28, przystosowanej do pracy w zakresie temperatur od -40 do +105°C.

Zupełnie inaczej jest zbudowany drugi z układów z serii AFE – LMP91000 (schemat blokowy pokazano na rysunku 2) – przeznaczony do współpracy z sensorami czynników chemicznych, przede wszystkim gazów. Zadaniem tego układu jest wytworzenie analogowego napięcia, proporcjonalnego (w zadanej przez użytkownika skali) do prądu płynącego przez 2- lub 3-przewodowy czujnik dołączony do jego wejścia. Układ wyposażono także w analogowy czujnik temperatury, którego wyjście może być dołączane do wyjścia pomiarowego przemiennie z wyjściem wzmacniacza TIA (TransImpedance Amplifier), który spełnia rolę konwertera prąd-napięcie.

Rys. 2. Schemat blokowy układu LMP91000