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傳感器模擬信號調(diào)理電路

為了理解信號調(diào)理電路，必須知道傳感器探針的等效電路圖。如上一節(jié)所述，pH探針由玻璃制成，可形成極高的電阻，范圍從1MΩ到1 GΩ不等，充當與pH電壓源串聯(lián)的電阻，如圖1所示。

圖1. pH探針等效電路配置

即使非常小的電路電流流經(jīng)電路中各器件的高電阻（尤其是測量電極的玻璃膜），這些電阻上也會產(chǎn)生相對較大的壓降，嚴重降低儀表測得的電壓。更糟糕的是，測量電極產(chǎn)生的電壓差非常小，處于毫伏范圍（理想情況下，室溫時每pH單位對應59.16mV）。用于此任務的儀表必須非常靈敏，并且有超高輸入電阻。

模數(shù)轉(zhuǎn)換

對于此類應用，給定傳感器的響應時間時，數(shù)據(jù)采樣速率將是一個問題。假設傳感器分辨率為0.001 V rms，ADC滿量程電壓范圍1 V，則實現(xiàn)9.96位的有效分辨率無需高分辨率ADC。無噪聲分辨率單位為位，用下式定義：

無噪聲分辨率 = log2 [滿量程輸入電范圍/傳感器峰峰值電壓輸出噪聲]

ADC采樣速率對低功耗應用可能是一個重要因素，因為ADC的采樣速率與功耗直接相關。在傳感器的響應時間一定時，典型ADC采樣速率可設置為其最低吞吐速率。可采用集成ADC的微控制器以減少器件數(shù)量。

第二部分：收發(fā)器

傳輸pH和溫度數(shù)據(jù)需要收發(fā)器，控制收發(fā)器需要微控制器。收發(fā)器和微控制器的選擇涉及到一些重要考量。選擇收發(fā)器必須考慮如下因素：

工作頻率

設計RF傳輸必須確定工作頻率(OF)，sub-GHz或2.4 GHz頻率能否滿足應用要求。在需要高數(shù)據(jù)速率和使用藍牙等寬帶寬的應用中，2.4 GHz頻率是最佳選擇。但工業(yè)應用通常使用sub-GHz頻率，因為可用的專有協(xié)議能方便地提供網(wǎng)絡鏈路層。專有系統(tǒng)主要使用sub-GHz范圍內(nèi)的ISM頻率，即433 MHz、868 MHz和915 MHz。

最大距離范圍Sub-1 GHz頻率支持25 km以上的長距離、大功率傳輸。當用于點對點或星形拓撲時，這些頻率可有效穿透墻壁和其他障礙物。

數(shù)據(jù)速率

數(shù)據(jù)速率也需要確定，它會影響收發(fā)器的傳輸距離能力和功耗。數(shù)據(jù)速率較高時，功耗較低，可以用于短距離傳輸；而數(shù)據(jù)速率較低時，功耗較高，可以用于長距離傳輸。要降低功耗，提高數(shù)據(jù)速率是一個好辦法，因為它只在很短的時間內(nèi)以突發(fā)方式消耗電流，但這樣做也會縮短無線電覆蓋距離。

收發(fā)器功耗

收發(fā)器功耗對電池供電應用非常重要。這在許多無線應用中也是一個考慮因素，因為它決定了數(shù)據(jù)速率和距離范圍。收發(fā)器有兩個功率放大器(PA)選項以提供更大的使用靈活性。單端PA可以輸出最多13 dBm的RF功率，差分PA可以輸出最多10 dBm的功率。

表4總結(jié)了一些PA輸出功率與收發(fā)器IDD電流消耗的關系。為完整起見，表中同時給出了接收模式的電流消耗。

表4. PA輸出功率與收發(fā)器IDD電流消耗小結(jié)

許可

Sub-GHz包括433 MHz、868 MHz和915 MHz的免許可ISM頻段。它廣泛用于工業(yè)中，非常適合各種無線應用。它可以用在世界上的不同地區(qū)，因為它符合歐洲ETSI EN300-220法規(guī)、北美FCC Part 15法規(guī)及其他類似監(jiān)管標準。

第四部分：其他系統(tǒng)考量

差錯校驗

通信處理器在發(fā)射模式下將CRC附加于有效載荷，在接收模式下檢測CRC。有效載荷數(shù)據(jù)加上16位CRC可以利用曼徹斯特編碼技術進行編碼/解碼。

成本

系統(tǒng)應當使用最少的器件和最小的板尺寸，因為當成本是關鍵要求之一時，這些常常是決定性因素。不要使用分立器件，必須考慮由MCU和無線器件組成的集成解決方案。這樣可消除無線電和MCU之間互連的設計難題，簡化電路板設計，使設計流程更直接了當，并縮短焊線，使其更不易受干擾影響。利用集ARM?Cortex?-M MCU和無線電收發(fā)器于一體的單個芯片，可以減少電路板器件數(shù)量，簡化電路板布局布線，降低總成本。

校準

執(zhí)行校準例程是實現(xiàn)高精度的關鍵環(huán)節(jié)之一。能斯脫方程所描述的pH溶液的一個特征是其高度依賴于溫度。傳感器探針僅給出一個恒定的失調(diào)，可認為該失調(diào)在所有溫度水平都是恒定的。由于其高度依賴于溫度，本系統(tǒng)必須有一個確定溶液溫度的傳感器。

可以使用直接代入能斯脫方程之類的方法，但由于溶液的非理想特性，可能會產(chǎn)生某種程度的誤差。這種方法僅需測量系統(tǒng)的失調(diào)和未知溶液的溫度。為確定該傳感器引入的失調(diào)，需要一種pH值為7的緩沖溶液。理想情況下，傳感器應產(chǎn)生0 V輸出。ADC讀數(shù)將是系統(tǒng)失調(diào)電壓。典型pH探針傳感器的失調(diào)可能高達±30 mV。