傳感器系統(tǒng)設計的“模板”

傳感器配有三個電極：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，這種氧化過程建立了一個正/負電流，而電流的絕對值隨氣體濃度呈線性變化。隨著時間的推移，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制性的要求。每次更換傳感器都將改變電流值，這將導致測量誤差。為了判斷傳感器生命周期的當前狀態(tài)，可以利用“傳感器測試”的可能性。為了這個目的，傳感器要接收一個脈沖，產(chǎn)生一個具有特征的輸出信號。設計工程師就能夠分析信號曲線的形狀來判斷傳感器的實際情況。

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

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)動這個電流。這樣做，可以使器件保持測量單元處于平衡狀態(tài)，這就是正在得到補償?shù)?ldquo;電位”派生的恒電位器的作用。通過這種方式，當RE驅(qū)動的最大偏置電流為670pA時，LMP91000有助于設計人員實現(xiàn)9.5μA/10×10-6～0.5nA/10×10-6范圍的靈敏度。

當傳感器第一次進行操作時，第一步是電位的積聚。為了達到所要求的效果，LMP91000將驅(qū)動高達10mA的電流。這要求它在短短幾小時內(nèi)就要完成這一過程。在某些情況下，普通的分立電路則需要幾天的時間才能建立這個電位。

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

由于復用器提供了7個單端輸入或4個差分輸入，該器件允許連接更多的傳感器，這可能要基于不同的技術實現(xiàn)。這方面一個很好的例子是，將一個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點補償。用兩個熱電組件加兩個模擬傳感器，或者加兩個三線測量電阻或三個熱敏電阻，也可以直接連接到這個多功能組件。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，管理電路采用了目前沒有使用的測量方式，即始終監(jiān)控單一傳感器，以避免測量數(shù)據(jù)流的任何干擾。

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

3 WEBENCH傳感器設計工具

借助由美國國家半導體公司免費提供的在線設計工具“Sensor AFE Designer”，設計工程師可以輕松地評估設計。用戶可在美國國家半導體的網(wǎng)頁直接訪問該軟件，只需單擊WEBENCH框中的“傳感器”標簽，然后選擇合適的類型的傳感器，再單擊“開始設計”即可（見圖3）。

圖3 WEBENCH界面

這里，用戶可以選擇相應的傳感器——在這個例子中是一個由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LMP90100的鏈接圖（見圖4）。所有必要的調(diào)整已經(jīng)由系統(tǒng)預設好了：包括各個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、后臺校準或傳感器測試功能。

圖4 LMP90100應用電路

除了兩款傳感器模擬前端集成電路，美國國家半導體公司還提供配套的評估板。只要把這樣的評估電路板連接到PC，設計工程師們就能夠從美國國家半導體公司的網(wǎng)站下載必要的離線軟件。除非電路板要用一個真正的傳感器直接測量，否則整個配置過程的方式和WEBENCH別無二致。傳感器數(shù)據(jù)可以在時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）。通過這種方式，用戶能夠?qū)ζ溥^程、測量任務分別進行直接測試，利用Sensor AFE掌控測量任務。在顯示圖像的左側(cè)，系統(tǒng)顯示了可以預期的精度，以及實際達到的精度。在這種情況下，設計工程師必須注意，ENOB公式對統(tǒng)計值是有效的，但不適用于正常情況下使用的動態(tài)值。由于標準偏差是公式的一個部分，當溫度（或壓力，如果使用電橋電路）沒有一個恒定值時，系統(tǒng)顯示的ENOB值將大幅下降。