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传感器模拟信号调理电路

为了理解信号调理电路，必须知道传感器探针的等效电路图。如上一节所述，pH探针由玻璃制成，可形成极高的电阻，范围从1MΩ到1 GΩ不等，充当与pH电压源串联的电阻，如图1所示。

图1. pH探针等效电路配置

即使非常小的电路电流流经电路中各器件的高电阻（尤其是测量电极的玻璃膜），这些电阻上也会产生相对较大的压降，严重降低仪表测得的电压。更糟糕的是，测量电极产生的电压差非常小，处于毫伏范围（理想情况下，室温时每pH单位对应59.16mV）。用于此任务的仪表必须非常灵敏，并且有超高输入电阻。

模数转换

对于此类应用，给定传感器的响应时间时，数据采样速率将是一个问题。假设传感器分辨率为0.001 V rms，ADC满量程电压范围1 V，则实现9.96位的有效分辨率无需高分辨率ADC。无噪声分辨率单位为位，用下式定义：

无噪声分辨率 = log2 [满量程输入电范围/传感器峰峰值电压输出噪声]

ADC采样速率对低功耗应用可能是一个重要因素，因为ADC的采样速率与功耗直接相关。在传感器的响应时间一定时，典型ADC采样速率可设置为其最低吞吐速率。可采用集成ADC的微控制器以减少器件数量。

第二部分：收发器

传输pH和温度数据需要收发器，控制收发器需要微控制器。收发器和微控制器的选择涉及到一些重要考量。选择收发器必须考虑如下因素：

工作频率

设计RF传输必须确定工作频率(OF)，sub-GHz或2.4 GHz频率能否满足应用要求。在需要高数据速率和使用蓝牙等宽带宽的应用中，2.4 GHz频率是最佳选择。但工业应用通常使用sub-GHz频率，因为可用的专有协议能方便地提供网络链路层。专有系统主要使用sub-GHz范围内的ISM频率，即433 MHz、868 MHz和915 MHz。

最大距离范围Sub-1 GHz频率支持25 km以上的长距离、大功率传输。当用于点对点或星形拓扑时，这些频率可有效穿透墙壁和其他障碍物。

数据速率

数据速率也需要确定，它会影响收发器的传输距离能力和功耗。数据速率较高时，功耗较低，可以用于短距离传输；而数据速率较低时，功耗较高，可以用于长距离传输。要降低功耗，提高数据速率是一个好办法，因为它只在很短的时间内以突发方式消耗电流，但这样做也会缩短无线电覆盖距离。

收发器功耗

收发器功耗对电池供电应用非常重要。这在许多无线应用中也是一个考虑因素，因为它决定了数据速率和距离范围。收发器有两个功率放大器(PA)选项以提供更大的使用灵活性。单端PA可以输出最多13 dBm的RF功率，差分PA可以输出最多10 dBm的功率。

表4总结了一些PA输出功率与收发器IDD电流消耗的关系。为完整起见，表中同时给出了接收模式的电流消耗。

表4. PA输出功率与收发器IDD电流消耗小结

许可

Sub-GHz包括433 MHz、868 MHz和915 MHz的免许可ISM频段。它广泛用于工业中，非常适合各种无线应用。它可以用在世界上的不同地区，因为它符合欧洲ETSI EN300-220法规、北美FCC Part 15法规及其他类似监管标准。

第四部分：其他系统考量

差错校验

通信处理器在发射模式下将CRC附加于有效载荷，在接收模式下检测CRC。有效载荷数据加上16位CRC可以利用曼彻斯特编码技术进行编码/解码。

成本

系统应当使用最少的器件和最小的板尺寸，因为当成本是关键要求之一时，这些常常是决定性因素。不要使用分立器件，必须考虑由MCU和无线器件组成的集成解决方案。这样可消除无线电和MCU之间互连的设计难题，简化电路板设计，使设计流程更直接了当，并缩短焊线，使其更不易受干扰影响。利用集ARM?Cortex?-M MCU和无线电收发器于一体的单个芯片，可以减少电路板器件数量，简化电路板布局布线，降低总成本。

校准

执行校准例程是实现高精度的关键环节之一。能斯脱方程所描述的pH溶液的一个特征是其高度依赖于温度。传感器探针仅给出一个恒定的失调，可认为该失调在所有温度水平都是恒定的。由于其高度依赖于温度，本系统必须有一个确定溶液温度的传感器。

可以使用直接代入能斯脱方程之类的方法，但由于溶液的非理想特性，可能会产生某种程度的误差。这种方法仅需测量系统的失调和未知溶液的温度。为确定该传感器引入的失调，需要一种pH值为7的缓冲溶液。理想情况下，传感器应产生0 V输出。ADC读数将是系统失调电压。典型pH探针传感器的失调可能高达±30 mV。