傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“模板”

傳感器配有三個(gè)電極：工作電極、參考電極和反電極。如果氣體接觸到工作電極，它將氧化或減少電極，這種氧化過(guò)程建立了一個(gè)正/負(fù)電流，而電流的絕對(duì)值隨氣體濃度呈線性變化。隨著時(shí)間的推移，電極將隨氣體濃度的增加而銷毀。因此，定期更換傳感器是強(qiáng)制性的要求。每次更換傳感器都將改變電流值，這將導(dǎo)致測(cè)量誤差。為了判斷傳感器生命周期的當(dāng)前狀態(tài)，可以利用“傳感器測(cè)試”的可能性。為了這個(gè)目的，傳感器要接收一個(gè)脈沖，產(chǎn)生一個(gè)具有特征的輸出信號(hào)。設(shè)計(jì)工程師就能夠分析信號(hào)曲線的形狀來(lái)判斷傳感器的實(shí)際情況。

參考電極是恒定的固定基準(zhǔn)電位，位于電解質(zhì)中，而不與任何氣體接觸。通過(guò)使用參考電極，傳感器AFE LMP91000能夠彌補(bǔ)工作電極的測(cè)量誤差。

與工作電極上的電流一樣，反電極上的電流值相同，但具有相反的極性；LMP91000內(nèi)的放大器A1驅(qū)動(dòng)這個(gè)電流。這樣做，可以使器件保持測(cè)量單元處于平衡狀態(tài)，這就是正在得到補(bǔ)償?shù)?ldquo;電位”派生的恒電位器的作用。通過(guò)這種方式，當(dāng)RE驅(qū)動(dòng)的最大偏置電流為670pA時(shí)，LMP91000有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)9.5μA/10×10-6～0.5nA/10×10-6范圍的靈敏度。

當(dāng)傳感器第一次進(jìn)行操作時(shí)，第一步是電位的積聚。為了達(dá)到所要求的效果，LMP91000將驅(qū)動(dòng)高達(dá)10mA的電流。這要求它在短短幾小時(shí)內(nèi)就要完成這一過(guò)程。在某些情況下，普通的分立電路則需要幾天的時(shí)間才能建立這個(gè)電位。

可以開啟或關(guān)閉的其他功能包括：傳感器可監(jiān)控檢查傳感器的短路或斷開（開路故障），或偏移校準(zhǔn)和放大。這些功能完全是在后臺(tái)執(zhí)行的，不會(huì)對(duì)輸出數(shù)據(jù)流產(chǎn)生任何影響。此外，在外部時(shí)鐘出現(xiàn)故障的情況下，可以利用時(shí)鐘管理電路自動(dòng)切換到使用內(nèi)部時(shí)鐘供電。

由于復(fù)用器提供了7個(gè)單端輸入或4個(gè)差分輸入，該器件允許連接更多的傳感器，這可能要基于不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這方面一個(gè)很好的例子是，將一個(gè)熱電組件與位于該熱電組件下方的模擬溫度傳感器連接組合在一起，其中的溫度傳感器用于冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。用兩個(gè)熱電組件加兩個(gè)模擬傳感器，或者加兩個(gè)三線測(cè)量電阻或三個(gè)熱敏電阻，也可以直接連接到這個(gè)多功能組件。這樣傳感器管理功能能夠根據(jù)需要不斷檢查傳感器。同時(shí)，管理電路采用了目前沒(méi)有使用的測(cè)量方式，即始終監(jiān)控單一傳感器，以避免測(cè)量數(shù)據(jù)流的任何干擾。

兩個(gè)匹配的電流源可以利用步長(zhǎng)（step）為1mA的最大電流來(lái)調(diào)節(jié)，允許使用阻性傳感器。

3 WEBENCH傳感器設(shè)計(jì)工具

借助由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司免費(fèi)提供的在線設(shè)計(jì)工具“Sensor AFE Designer”，設(shè)計(jì)工程師可以輕松地評(píng)估設(shè)計(jì)。用戶可在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的網(wǎng)頁(yè)直接訪問(wèn)該軟件，只需單擊WEBENCH框中的“傳感器”標(biāo)簽，然后選擇合適的類型的傳感器，再單擊“開始設(shè)計(jì)”即可（見圖3）。

圖3 WEBENCH界面

這里，用戶可以選擇相應(yīng)的傳感器——在這個(gè)例子中是一個(gè)由Tempco制造的K型熱組件。在選擇傳感器后，軟件立即提供了一個(gè)LMP90100的鏈接圖（見圖4）。所有必要的調(diào)整已經(jīng)由系統(tǒng)預(yù)設(shè)好了：包括各個(gè)傳感器的選擇和輸入的分配，系統(tǒng)定義了所有的參數(shù)，如電流和參考源及增益。然后，用戶可以選擇采樣率、后臺(tái)校準(zhǔn)或傳感器測(cè)試功能。

圖4 LMP90100應(yīng)用電路

除了兩款傳感器模擬前端集成電路，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司還提供配套的評(píng)估板。只要把這樣的評(píng)估電路板連接到PC，設(shè)計(jì)工程師們就能夠從美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的網(wǎng)站下載必要的離線軟件。除非電路板要用一個(gè)真正的傳感器直接測(cè)量，否則整個(gè)配置過(guò)程的方式和WEBENCH別無(wú)二致。傳感器數(shù)據(jù)可以在時(shí)間軸上分別顯示出電壓（以V表示）、數(shù)據(jù)（以位表示）或溫度（以℃表示）或壓力（以psi表示）。通過(guò)這種方式，用戶能夠?qū)ζ溥^(guò)程、測(cè)量任務(wù)分別進(jìn)行直接測(cè)試，利用Sensor AFE掌控測(cè)量任務(wù)。在顯示圖像的左側(cè)，系統(tǒng)顯示了可以預(yù)期的精度，以及實(shí)際達(dá)到的精度。在這種情況下，設(shè)計(jì)工程師必須注意，ENOB公式對(duì)統(tǒng)計(jì)值是有效的，但不適用于正常情況下使用的動(dòng)態(tài)值。由于標(biāo)準(zhǔn)偏差是公式的一個(gè)部分，當(dāng)溫度（或壓力，如果使用電橋電路）沒(méi)有一個(gè)恒定值時(shí)，系統(tǒng)顯示的ENOB值將大幅下降。