Jste zde

LMP91000 = AFE Systém pro realizaci chemických snímačů

Antonín Vojáček, 22. Leden 2011 - 0:06

Jak snadno připojit elektrochemický senzor (například ampérometrický nebo galvanometrický senzor koncentrace plynů) k mikrokontroléru? Stačí použít AFE integrovaný obvod LMP91000 a relativně snadno navrhnete konstrukci kompletního čidla plynů či jiných elektrochemických snímačů.

V nabídce společnosti National Semiconductor najdete docela zajímavou novinku. Je jí integrovaný obvod s označením LMP91000, který může výrazně vývojářům čidel usnadnit jejich práci. Realizuje totiž kompletní specializované programovatelné analogové rozhraní AFE (Analog Front End module) pro přímé připojení chemických senzorů (předně senzorů pro měření koncentrace plynů) k mikrokontrolérům. Jen pomocí samotného snímacího prvku, obvodu LMP91000 a mikrokontroléru s A/D převodníkem a I2C komunikací lze tak relativně snadno vytvořit mikropříkonové systémy (čidla) nejen pro měření složení / koncentrace plynů.

LMP91000 poskytuje kompletní signálovou cestu, zpracování mezi samotným snímacím prvkem (senzorem) a mikrokontrolérem, pro jehož A/D převodník generuje „silné“ výstupní napětí v řádu jednotek voltů, které je úměrné měřené hodnotě koncentrace. Programovatelnost obvodu spočívá v možnosti nastavení jeho funkčního režimu a pracovních parametrů pro konkrétně použitý typ snímacího senzoru prostřednictvím sériové komunikace I2C. Ta se zároveň dá využít pro diagnostiku.

Vhodnosti použití v mikropříkonových systémech a aplikacích odpovídá napájecí napětí 2,7 až 5,25 V a samotná spotřeba obvodu do 10 mikroA.

Pro jaké senzory je LMP91000 vhodný?

Integrovaný obvod LMP91000 vytváří kompletní rozhraní pro připojení většiny běžných senzorů pro měření koncentrace / složení plynů. Podporuje 3- i 2-vodičové připojení.

Většina senzorů toxických plynů (CO, H2S, Cl2, SO2 atd.) je totiž v 3-vývodovém provedení ve formě koncentračního detektoru fungující na ampérometrickém principu, u kterého se měří úroveň senzorem generovaného slabého elektrického proudu odpovídající oxidaci či redukci látek v měřeném plynu při konstantním potenciálu elektrod. Do měřicího obvodu proto musí být zapojen zdroj stejnosměrného napětí, tzv. vložené napětí, jehož hodnota musí odpovídat tzv. limitnímu proudu určované složky v měřeném médiu. Velikost limitního proudu je pak funkcí koncentrace měřené složky. Pro tento druh je obvod LMP91000 primárně navržen svojí integrovanou potenciostatickou strukturou.

Zároveň jej však lze použít i pro druhý obvyklý typ chemických senzorů – dvouvývodové galvanometrické senzory plynu (např. kyslíku). Ty využívají principu galvanického článku, tzn. že plyn se na rozhraní vrstvy katoda/elektrolyt elektrochemickou cestou přeměňuje na el. proud, jehož velikost je úměrná koncentraci daného plynu (např. kyslíku) v měřené směsi.

Díky vhodně navržené vnitřní konstrukci pak LMP91000 podporuje citlivosti senzorů plynů v rozsahu 0,5 až 9500 nA/ppm.

Protože však ve zjednodušené podobě není obvod LMP91000 nic jiného než převodník slabého signálového elektrického proudu na napětí v řádu jednotek voltů doplněný o obvody automatické regulace napětí / potenciálu na elektrodách připojených senzorů, lze jej samozřejmě případně použít i jako rozhraní pro jiné senzory s proudovým výstupním signálem či jako zesilovač / převodník proud - napětí. V tomto směru jej lze použít pro převod proudů v rozsahu 5 až 750 mikroA.

  

Příklad 3-vývodového ampérometrického senzoru toxických plynů (CO, H2S, Cl2, SO2 atd.) společnosti Honeywell.

Typické ideové schéma zapojení ampérometrického senzoru plynů, které je prakticky realizováno i uvnitř integrovaného obvodu LMP1000.

Princip funkce a vnitřní struktura obvodu LMP91000

Integrovaný obvod LMP91000 poskytuje prostředky pro metody měření koncentrace plynů založené na změně velikosti proudu na pracovní elektrodě. Na výstupu pak generuje napětí úměrné proudu připojené snímací jednotky (senzoru). Jádrem je potenciostatický obvod složený ze zesilovače s diferenciálním vstupem, který provádí porovnání napěťových potenciálů pracovní WE a referenční RE elektrody připojeného ampérometrického senzoru s požadovaným pracovním předpětím (tzv. vloženým napětím). Zjištěný chybový (rozdílový) signál je zesílen řídicím zesilovačem A1 a přiveden na pomocnou vyrovnávací elektrodu CE (Counter electrode), která odchylku kompenzuje.

Konkrétně pracovní elektroda senzoru je prostřednictvím neinvertujícího vstupu níže popsaného transimpedančního zesilovače a interního děliče napětí (Internal Voltage devider) trvale udržována na virtuální vnitřní nule (Internal ground). Řídicí zesilovač pak porovnává referenční napětí s požadovaným předpětím a podle toho nastavuje napětí na vyvažovací / pomocné CE elektrodě, aby se udržovalo správné napětí mezi pracovní a referenční elektrodou. Tato smyčka tvoří automatickou vyrovnávací zpětnou vazbu, kde jakákoliv změna impedance mezi pracovní a referenční elektrodou ve výsledku způsobí změnu napětí přivedeného na pomocnou elektrodu. Tím se zajistí konstantní napětí mezi pracovní a referenční elektrodou.

Bloková struktura obvodu LMP91000 a jeho typické připojení k ampérometrickému senzoru / detektoru toxických plynů.

Pro tyto účely může řídicí zesilovač A1 dodávat proud až 10 mA, aby bylo zjištěno dostatečně rychlé „najetí“ senzoru po spuštění systému. Podle typu připojeného plynového senzoru (redukční nebo oxidační provedení) umožňuje proud „vydávat“ i „přijímat“. V případě delší pauzy v měření je možné jej softwarově přes I2C vypnout a tak snížit spotřebu součástky. Krátkodobé vypínání není vhodné kvůli následnému náběhu funkce senzorů, který je u chemických senzorů obvykle dost pomalý.

Generování požadovaného pracovního předpětí mezi referenční a pracovní elektrodou senzoru (RE a WE) má na starosti blok „Variable Bias“ . Úroveň předpětí, stejně jako jeho polaritu, lze přes datovou komunikaci I2C měnit v rozsahu 1 až 24 % napájecího napětí a to v 14 stupních. Přesněji řečeno z napájecího napětí VDD upraveného interním děličem napětí (Internal Voltage devider). Jeho dělicí poměr lze opět nastavit v konfiguračním registru obvodu na 67, 50 nebo 20% hodnoty napájecího napětí VDD. To poskytuje dostatečnou rezervu regulačnímu systému potenciálu CE elektrody v případě nenadálých prudkých změn měřených koncentrací. Zároveň umožňuje ideálně plně využít celý rozsah výstupního napětí a tím i zajistit dobré podmínky pro A/D převodník při jeho digitalizaci.

A nakonec je tu hlavní komponenta - integrovaný transimpedanční zesilovač TIA, který je připojený na pracovní elektrodu WE a vytváří ono výstupní signálové napětí úměrné proudu, který je generován připojeným senzorem. Napětí je vyvedeno na výstupní svorku VOUT, která je sdílená s výstupem integrovaného teplotního senzoru. Ten lze během měření koncentrace plynu vypnout pro snížení spotřeby obvodu. Aktuální přepnutí výstupu a spouštění měření / odečet teploty je též řízen požadavkem po I2C sběrnici (nastavením bitů ve vnitřních registrech).

Transimpedanční zesilovač TIA obsahuje 7 vnitřních zesilovacích úrovní (rezistorů) programovatelných přes I2C v rozsahu 2,75 až 350 kOhmů a umožňuje tak převádět velmi malé proudy v rozsahu 5 až 750 mikroA. Tím je zajištěno přizpůsobení měřícího rozsahu pro většinu existujících chemických senzorů. Mimo to, například pro možnost použití obvodu LMP91000 i pro méně typické aplikace, je zde také možné zesílení definovat hardwarově připojením externích rezistorů na vývody označené jako C1 a C2 při softwarovém nastavení registru zesílení na hodnotu „externí“.

Příklad napojení několika senzorů realizovaných obvodem LMP91000 pomocí I2C komunikace na mikrokontrolér.

Možnosti připojení senzorů plynů k LMP91000

Funkce obvodu LMP9100 při připojení 3-vývodového ampérometrického senzoru již byla prakticky popsána výše. Snímací část se připojí pomocí trojce vývodů CE, RE a WE a je aktivní celá integrovaná struktura, tzn. že řídicí zesilovač je zapnutý a provádí se převod senzorem generovaného proudu na napětí prostřednictvím transimpedančního zesilovače.

V případě použití dvouvývodového galvanometrického senzoru (např. senzory kyslíku) založeného na principu galvanického článku, jej pak lze připojit buď přes přívod referenčního napětí Vref a zemnící svorku obvodu (senzor musí být doplněn o paralelní rezistor) a nebo podobně jako ampérometrický senzor na vývody CE a WE.

První možnost připojení 2-vodičových galvanometrických senzorů přes vstup Vref.

V prvním případě se obvod LMP91000 nakonfiguruje do režimu pro připojení dvouvývodových galvanometrických senzorů (2-lead galvanic cell mode), při němž je zesilovač A1 vypnutý a napěťový výstup senzoru přivedený vstupem Vref přímo neinvertující vstup transimpedančního zesilovače, který je nastaven jako jednoduchý neinvertující zesilovač.

V druhém případě se senzor připojí podobně jako třívývodový senzor na CE a WE vývody (pouze vývod RE se zkratuje s vývodem CE) a LMP91000 je nakonfigurován v ampérometrickém režimu (3-lead amperometric cell mode), kdy zesilovač A1 je zapnutý a TIA pracuje v invertujícím zapojení.

Druhá možnost připojení 2-vodičových galvanometrických senzorů přes vstupy WE a CE.

Základní parametry obvodu:

  • Integrovaný AFE systém pro připojení chemických senzorů
  • Napájecí napětí: 2,7 V až 5,25 V
  • Spotřeba samotného obvodu: <10 µA
  • Budící proud vývodu CE: až 10 mA
  • Výstupní proud vývodu VOUT: max. 750 mikroA
  • Programovatelná hodnota předpětí ampérometrických senzorů
  • Nízký teplotní drift předpětí
  • Programovatelné zesílení transimpedančního zesilovače v rozpětí 2,75 kohmů až 350 kohmů
  • Možnost hardwarového nastavení zesílení transimpedačního zesilovače externím rezistorem
  • Nastavení a ovládání obvodu pomocí sériové komunikace I2C
  • Okolní provozní teplota: -40°C až 85°C
  • Pouzdro: 14pinové LLP

 

Článek vytvořil na základě informací výrobce obvodu: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře