以TI PGA900为例去阐释压力传感信号调节器

　　传感器作为物理世界和电子世界关键的接口器件，在现代生活中扮演着越来越重要的角色，不管是在传统的工业、汽车还是新兴的物联网、智能家居、可穿戴式领域。但是，就是这简简单单的传感器，使工程师在实际设计中遇到了很多的难题，因为传感有很多复杂的情况，特别是电感式、电容式有很多与系统结构设计相关的因素。为了简化工程师在传感器方面的设计工作，TI日前推出一款压力传感器信号调节器。
　　何谓压力传感信号调节器？
　　什么是压力传感信号调节器？如果用它来设计压力传感器的话，什么样的指标能说明这颗芯片是适合的？TI半导体事业部中国区模拟业务拓展经理朱文斌解释说，信号调节器的主要目的是处理非线性的传感单元的输出，将其信号调理后再提供给外部控制电路。其中非线性随着温度、压力变化的信号变成绝对的线性输出，难点就在于线性度是否够好，因为它直接决定了传感器的精度。这其中前端非线性信号的量化精度取决于ADC的精度；然后，将非线性转为线性需要强大的处理内核；之后就是输出接口（0—5V、0-10V，或者工业类通用的4-20mA）。基于此，朱文斌认为一个好的压力传感器要具备以下三个特点：第一，它需要高精度的前端，去采集非线性的桥式应变片信号以及温度信号；第二，要具有强大的内核，能做非线性到线性的处理；第三，整体芯片的集成度要高，从而能够实现小型化。这也对压力传感信号调节器提出了较高的要求。
　　
　　图1：压力传感信号调节器工作原理
　　为什么选择TI PGA900？
　　应对上述需求，TI日前推出一款全新的压力传感信号调节器PGA900。这是一款高分辨率的压力传感信号调节器，实现了对压力、应力、流量以及液体水平面等条件的快速精确的24位测量。它同时还提供了一个可编程内核，可在很多压力性桥式传感应用中实现灵活的线性化和温度补偿。
　　PGA900集成了2个用于高分辨率信号采集的低噪声24位ADC，最大可达到10ppm/°C的低漂移电压基准可在 -40°C~150°C工作温度范围内实现高精度感测。据朱文斌介绍，之所以集成了2个24位ADC，是因为一个通道用来采集前端桥式应变片的压力信号（非线性信号），另外一个则用于温度的采集。他进一步解释，温度在压力传感器中是很重要的因素，压力传感器通常工作在60℃，但有时候系统温度油压会达到100℃甚至150℃，如果这时没有很好的ADC对温度特性做量化，在高温时进行补偿，会导致在某些关键场合下系统失效。因此TI在PGA900中集成了两颗高精度的ADC，希望能在-40—150℃范围内完成比较好的信号采集。
　　此外，PGA900内置的ARM Cortex-M0内核使开发人员能够用专有温度与非线性补偿算法设计产品，单线制接口可以在不使用其它线路的情况下，通过电源引脚实现通信、配置和校准，而集成的电源管理电路还可满足3.3V~30V之间的外部电源电压输入需求。为什么采用Cortex-M0？朱文斌表示，集成M0能够为客户设计带来更大的灵活性，同时便于客户进行产品的差异化设计。这可以方便用户自己在做非线性处理时写进一阶、两阶甚至到五阶更高的代码，从而设计出优秀的非线性到线性校正的产品，而且把核写在里面，可以形成独特的IP保护。
　　此外，PGA900还集成了一个可用来提供高线性模拟输出的14位DAC以及多种输出接口，包括模拟电压、4-20mA电流回路、串行外设接口（SPI）、I2C、通用异步收发器（UART）和单线制接口（OWI），可为设计人员提供针对不同应用需求的选项。
　　
　　图2：PGA900框图
　　基于上述特性，PGA900最典型的应用场合就是压力传感器，这会是它最典型的、最大的市场；其次，一些加速度计也是采用桥式的应变片去实现；此外，还有湿度计、家用的体重计等，其前端传感器也是桥式的，这些都属于PGA900应用范畴。
　　TI在传感器方面的发展方向
　　TI在传感器产品的发展方向是什么？朱文斌用一句话概括为“做更好的芯片，做更优秀的TI Design”。首先在芯片方面，从离散芯片到模拟集成再到Sensor Hub，TI致力于使芯片的集成度更高、精度更高。而围绕芯片，TI又做了很多配套的工作，包括软件、硬件，主要目的是便于客户拿到产品就可展开设计，而不用研究里面很复杂的软硬件。
　　这不得不提到TI针对某一类应用推出的针对性非常强的参考设计。以其用于温度变送器的某款ADC为例，TI甚至提供了经过第三方专业的认证和测试，从而大幅加快了客户在传感器方面的研发设计进度。
　　TI半导体事业部中国区业务拓展总监吴健鸿特别强调，目前中国在大举推进工业4.0的实施，这一方面需要重视工业控制，另一方面则离不开大量的传感器。因此未来几年的时间内，传感器的市场需求会越来越大，TI会推出更多的传感器+MCU或是模拟+MCU的整合IC。