传感器系统设计的“模板”

传感器配有三个电极：工作电极、参考电极和反电极。如果气体接触到工作电极，它将氧化或减少电极，这种氧化过程建立了一个正/负电流，而电流的绝对值随气体浓度呈线性变化。随着时间的推移，电极将随气体浓度的增加而销毁。因此，定期更换传感器是强制性的要求。每次更换传感器都将改变电流值，这将导致测量误差。为了判断传感器生命周期的当前状态，可以利用“传感器测试”的可能性。为了这个目的，传感器要接收一个脉冲，产生一个具有特征的输出信号。设计工程师就能够分析信号曲线的形状来判断传感器的实际情况。

参考电极是恒定的固定基准电位，位于电解质中，而不与任何气体接触。通过使用参考电极，传感器AFE LMP91000能够弥补工作电极的测量误差。

与工作电极上的电流一样，反电极上的电流值相同，但具有相反的极性；LMP91000内的放大器A1驱动这个电流。这样做，可以使器件保持测量单元处于平衡状态，这就是正在得到补偿的“电位”派生的恒电位器的作用。通过这种方式，当RE驱动的最大偏置电流为670pA时，LMP91000有助于设计人员实现9.5μA/10×10-6～0.5nA/10×10-6范围的灵敏度。

当传感器第一次进行操作时，第一步是电位的积聚。为了达到所要求的效果，LMP91000将驱动高达10mA的电流。这要求它在短短几小时内就要完成这一过程。在某些情况下，普通的分立电路则需要几天的时间才能建立这个电位。

可以开启或关闭的其他功能包括：传感器可监控检查传感器的短路或断开（开路故障），或偏移校准和放大。这些功能完全是在后台执行的，不会对输出数据流产生任何影响。此外，在外部时钟出现故障的情况下，可以利用时钟管理电路自动切换到使用内部时钟供电。

由于复用器提供了7个单端输入或4个差分输入，该器件允许连接更多的传感器，这可能要基于不同的技术实现。这方面一个很好的例子是，将一个热电组件与位于该热电组件下方的模拟温度传感器连接组合在一起，其中的温度传感器用于冷结点补偿。用两个热电组件加两个模拟传感器，或者加两个三线测量电阻或三个热敏电阻，也可以直接连接到这个多功能组件。这样传感器管理功能能够根据需要不断检查传感器。同时，管理电路采用了目前没有使用的测量方式，即始终监控单一传感器，以避免测量数据流的任何干扰。

两个匹配的电流源可以利用步长（step）为1mA的最大电流来调节，允许使用阻性传感器。

3 WEBENCH传感器设计工具

借助由美国国家半导体公司免费提供的在线设计工具“Sensor AFE Designer”，设计工程师可以轻松地评估设计。用户可在美国国家半导体的网页直接访问该软件，只需单击WEBENCH框中的“传感器”标签，然后选择合适的类型的传感器，再单击“开始设计”即可（见图3）。

图3 WEBENCH界面

这里，用户可以选择相应的传感器——在这个例子中是一个由Tempco制造的K型热组件。在选择传感器后，软件立即提供了一个LMP90100的链接图（见图4）。所有必要的调整已经由系统预设好了：包括各个传感器的选择和输入的分配，系统定义了所有的参数，如电流和参考源及增益。然后，用户可以选择采样率、后台校准或传感器测试功能。

图4 LMP90100应用电路

除了两款传感器模拟前端集成电路，美国国家半导体公司还提供配套的评估板。只要把这样的评估电路板连接到PC，设计工程师们就能够从美国国家半导体公司的网站下载必要的离线软件。除非电路板要用一个真正的传感器直接测量，否则整个配置过程的方式和WEBENCH别无二致。传感器数据可以在时间轴上分别显示出电压（以V表示）、数据（以位表示）或温度（以℃表示）或压力（以psi表示）。通过这种方式，用户能够对其过程、测量任务分别进行直接测试，利用Sensor AFE掌控测量任务。在显示图像的左侧，系统显示了可以预期的精度，以及实际达到的精度。在这种情况下，设计工程师必须注意，ENOB公式对统计值是有效的，但不适用于正常情况下使用的动态值。由于标准偏差是公式的一个部分，当温度（或压力，如果使用电桥电路）没有一个恒定值时，系统显示的ENOB值将大幅下降。