DE112018000004T5

DE112018000004T5 - Vorrichtung und Verfahren zur Anwendung intelligenter Sensoren

Info

Publication number: DE112018000004T5
Application number: DE112018000004.4T
Authority: DE
Inventors: GuangYang Qu; Yincai Tony Liu; Baotian Hao; Hanqing Wang; Hengfang Mei; Rengui Luo; Yimiao Zhao; Junbiao Ding
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2018-09-27
Also published as: US20230251302A1; US11656269B2; WO2018127793A1; US10466296B2; US20180196101A1; US20210405110A1; US20200033398A1; CN109791178A; CN113970693A; CN109791178B; CN113376507A; JP2020507054A; JP7390976B2; JP2020160073A; US11119143B2

Abstract

Ein Gerät weist Folgendes auf: einen Lastwiderstand, der mit dem elektronischen Sensor in Reihe schaltbar ist, um einen Reihenwiderstand des Lastwiderstands und der internen Impedanz des elektronischen Sensors zu bilden; eine Erregungsschaltung, ausgebildet zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an ein Schaltungselement; und eine Messschaltung, ausgebildet zum Einleiten des Anlegens der vorbestimmten Spannung an den Reihenwiderstand und Bestimmen des Reihenwiderstands; Einleiten des Anlegens der vorbestimmten Spannung an den Lastwiderstand und Bestimmen des Lastwiderstands; und Berechnen der internen Impedanz des Sensors unter Verwendung des bestimmten Reihenwiderstands und des Lastwiderstands und Bereitstellen der berechneten internen Impedanz für einen Benutzer oder Prozess.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Schrift betrifft allgemein Schnittstellenschaltungen für elektronische Sensoren. Einige Ausführungsformen betreffen Prüfschaltungen für elektronische Sensoren.
STAND DER TECHNIK
Intelligente Sensoren sind elektronische Schaltungen, die einen bestimmten Aspekt ihrer Umgebung messen und Datenverarbeitungsressourcen dazu veranlassen, als Reaktion auf die Messungen vordefinierte Funktionen auszuführen. Intelligente Sensoren sind in Anwendungen wie Implementierung eines Internet der Dinge (IoT - Internet of Things) nützlich. Manchmal muss die Ausgabe eines intelligenten Sensors an die wirksam mit den intelligenten Sensoren gekoppelte Überwachungselektronik angepasst werden, um Informationen für die Datenverarbeitungsressourcen zu beschaffen. Die vorliegenden Erfinder haben eine Notwendigkeit verbesserter Schnittstellenschaltungen für intelligente Sensorschaltungen erkannt.
KURZFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Schrift betrifft allgemein Schnittstellenschaltungen für elektronische Sensoren.
Aspekt 1 der vorliegenden Offenbarung beinhaltet einen Gegenstand (wie etwa eine Prüfschaltung für einen elektronischen Sensor), der Folgendes aufweist: einen Lastwiderstand, der mit dem elektronischen Sensor in Reihe schaltbar ist, um einen Reihenwiderstand des Lastwiderstands und der internen Impedanz des elektronischen Sensors zu bilden; eine Erregungsschaltung, ausgebildet zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an ein Schaltungselement; und eine Messschaltung, ausgebildet zum Einleiten des Anlegens der vorbestimmten Spannung an den Reihenwiderstand und Bestimmen des Reihenwiderstands; Einleiten des Anlegens der vorbestimmten Spannung an den Lastwiderstand und Bestimmen des Lastwiderstands; und Berechnen der internen Impedanz des Sensors unter Verwendung des bestimmten Reihenwiderstands und des Lastwiderstands und Bereitstellen der berechneten internen Impedanz für einen Benutzer oder Prozess.
In Aspekt 2 beinhaltet der Gegenstand von Aspekt 1 gegebenenfalls eine Erregungsschaltung, ausgebildet zum Anlegen eines spezifizierten elektrischen Signals mit einer Signalamplitude von weniger als zwanzig Millivolt (20 mV) an den Reihenwiderstand, wobei die interne Impedanz des elektronischen Sensors kleiner als zehn Ohm (10Ω) ist.
In Aspekt 3 beinhaltet der Gegenstand von Aspekt 1 und/oder 2 gegebenenfalls, dass der elektronische Sensor ein elektrochemischer Sensor ist.
Aspekt 4 umfasst einen Gegenstand (wie etwa eine integrierte Schaltung) oder kann gegebenenfalls mit einer beliebigen Kombination der Aspekte 1-3 kombiniert werden, um solchen Gegenstand zu beinhalten, der eine Erregungsschaltung aufweist, ausgebildet zum Anlegen von Erregungssignalen an eine Sensorschaltung, wobei die Erregungsschaltung eine konfigurierbare erste Schaltungsverstärkungsstufe und eine konfigurierbare zweite Schaltungsverstärkungsstufe beinhaltet, wobei in einem ersten Verstärkungsmodus die Erregungsschaltung unter Verwendung einer durch die erste Schaltungsverstärkungsstufe angewandten ersten Signalverstärkung und einer durch die zweite Schaltungsverstärkungsstufe angewandten zweiten Signalverstärkung ein erstes Erregungssignal aus einem Prüfsignal erzeugt und die Erregungsschaltung in einem zweiten Verstärkungsmodus unter Verwendung einer durch die erste Schaltungsverstärkungsstufe angewandten dritten Signalverstärkung und einer durch die zweite Schaltungsverstärkungsstufe angewandten vierten Signalverstärkung ein zweites Erregungssignal aus dem Prüfsignal erzeugt; und eine Messschaltung, ausgebildet zum selektiven Einleiten des Anlegens des ersten Erregungssignals oder des zweiten Erregungssignals an den elektronischen Sensor und Berechnen der internen Impedanz des Sensors.
In Aspekt 5 beinhaltet der Gegenstand von Aspekt 4 gegebenenfalls eine Messschaltung, ausgebildet zum Einleiten des Anlegens des ersten Erregungssignals an den elektronischen Sensor, wenn die interne Impedanz des Sensors einen ersten internen Impedanzbereich aufweist, und Einleiten des Anlegens des zweiten Erregungssignals an den elektronischen Sensor, wenn die interne Impedanz des Sensors einen zweiten internen Impedanzbereich aufweist, wobei die erste interne Impedanz größer als der zweite interne Impedanzbereich ist.
In Aspekt 6 beinhaltet der Gegenstand der Aspekte 4 und/oder 5 gegebenenfalls, dass die Signalverstärkung der zweiten Verstärkungsschaltungsstufe im ersten Verstärkungsmodus eins ist und im zweiten Verstärkungsmodus kleiner als eins und größer als null ist.
In Aspekt 7 beinhaltet der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 4-6 gegebenenfalls, dass die Signalverstärkung der ersten Verstärkungsschaltungsstufe im ersten Verstärkungsmodus größer als eins ist und im zweiten Verstärkungsmodus kleiner als eins und größer als null ist.
In Aspekt 8 beinhaltet der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 4-7 gegebenenfalls eine Digital-Analog-Umsetzer- bzw. DAC-Schaltung, die dazu ausgebildet ist, das Prüfsignal zu erzeugen.
Aspekt 9 beinhaltet einen Gegenstand (wie etwa eine Prüfschaltung) oder kann gegebenenfalls mit einem oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1-8 kombiniert werden, um solchen Gegenstand zu beinhalten, der Folgendes aufweist: einen einstellbaren Brückenwiderstand und einen Kalibrationswiderstand zur Kopplung mit einem elektronischen Sensor; eine Erregungsschaltung, ausgebildet zum Anlegen eines Erregungssignals an den elektronischen Sensor, den Brückenwiderstand und den Kalibrationswiderstand; und eine Messschaltung, ausgebildet zum: Anlegen eines ersten Erregungssignals an einen Kalibrationswiderstand und Messen eines Kalibrationsstroms; Anlegen des ersten Erregungssignals an einen ersten Brückenwiderstand und Messen eines ersten Brückenstroms; Anlegen eines zweiten Erregungssignals an den ersten Brückenwiderstand und Messen eines zweiten Brückenstroms; Anlegen des zweiten Erregungssignals an den Sensor und Messen eines Sensorstroms; und Berechnen der internen Impedanz des Sensors unter Verwendung des Kalibrationswiderstands, des Kalibrationsstroms, des ersten Brückenstroms, des zweiten Brückenstroms und des Sensorstroms.
In Aspekt 10 beinhaltet der Gegenstand von Beispiel 9 gegebenenfalls eine Multiplexerschaltung ausgebildet zum selektiven Anlegen eines Erregungssignals an den Kalibrationswiderstand, den einstellbaren Brückenwiderstand oder den Sensor.
In Aspekt 11 beinhaltet der Gegenstand der Aspekte 9 und/oder 10 gegebenenfalls eine Multiplexerschaltung, ausgebildet zum Anlegen eines Erregungssignals an den Kalibrationswiderstand, und die Messschaltung ist ausgebildet zum Berechnen des Kalibrationswiderstands unter Verwendung des Erregungssignals.
In Aspekt 12 beinhaltet der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 9-11 gegebenenfalls eine Messschaltung, ausgebildet zum Setzen des Brückenwiderstands auf einen Grob-Brückenwiderstandswert vor dem Anlegen des Erregungssignals an den Brückenwiderstand.
In Aspekt 13 beinhaltet der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 9-12 gegebenenfalls eine Messschaltung, ausgebildet zum Anlegen eines dritten Erregungssignals an den ersten Brückenwiderstand und Messen eines dritten Brückenstroms, Anlegen des dritten Erregungssignals an einen zweiten Brückenwiderstand und Messen eines vierten Brückenstroms und Berechnen der internen Impedanz des Sensors unter Verwendung des Kalibrationswiderstands, des Kalibrationsstroms, des ersten Brückenstroms, des zweiten Brückenstroms, des dritten Brückenstroms, des vierten Brückenstroms und des Sensorstroms.
In Aspekt 14 beinhaltet der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 9-13 gegebenenfalls, dass der elektronische Sensor ein elektrochemischer Sensor ist und der Widerstand des elektrochemischen Sensors die verbleibende Nutzungsdauer des elektrochemischen Sensors repräsentiert.
Aspekt 15 beinhaltet einen Gegenstand (wie etwa ein Gerät) oder kann gegebenenfalls mit dem Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-14 kombiniert werden, um einen solchen Gegenstand zu beinhalten, der eine integrierte Schaltung aufweist. Die integrierte Schaltung beinhaltet einen Eingang zum Empfangen eines elektrischen Signals von einem elektronischen Sensor, wobei das elektrische Signal ein Gleichstrom- bzw. DC-Offset und eine variierende Signalkomponente beinhaltet; eine Digital-Analog-Umsetzer- bzw. DAC-Schaltung, ausgebildet zum Subtrahieren des DC-Offsets von dem Eingangssignal; einen wirksam mit der DAC-Schaltung gekoppelten Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA), wobei die PGA-Schaltung ausgebildet ist zum Anwenden von Signalverstärkung auf die variierende Signalkomponente des Eingangssignals; und eine Messschaltung, ausgebildet zum Erzeugen eines Maßes für die variierende Signalkomponente.
In Aspekt 16 beinhaltet der Gegenstand von Aspekt 15 gegebenenfalls eine Messschaltung, die eine Analog-Digital-Umsetzer- bzw. ADC-Schaltung beinhaltet, die dazu ausgebildet ist, ein Maß für die variierende Signalkomponente zu erzeugen.
In Aspekt 17 beinhaltet der Gegenstand der Aspekte 15 und/oder 16 gegebenenfalls eine Messschaltung, die eine Schaltung zur schnellen Fouriertransformation (FFT) beinhaltet, ausgebildet zum Messen eines Frequenzgangs der variierenden Signalkomponente.
In Aspekt 18 beinhaltet der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 15-17 gegebenenfalls einen elektronischen Sensor, der wirksam mit der integrierten Schaltung gekoppelt ist, wobei der elektronische Sensor ein resistiver elektronischer Sensor ist.
In Aspekt 19 beinhaltet der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 15-18 gegebenenfalls, dass ein elektronischer Sensor ein Gassensor ist und das elektrische Signal von dem elektronischen Sensor proportional zu einer Menge an Gas in einer Atmosphäre ist.
In Aspekt 20 beinhaltet der Gegenstand eines beliebigen oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 15-20 gegebenenfalls eine Detektionsschaltung, wobei der elektronische Sensor ein Sauerstoffsensor ist und die Detektionsschaltung ausgebildet ist zum Erzeugen einer Angabe einer unteren Explosivgrenze gemäß dem Maß für die variierende Signalkomponente.
Aspekt 21 kann beliebige Teile oder Kombinationen beliebiger Teile eines beliebigen oder mehrerer der Beispiele 1-20 beinhalten oder gegebenenfalls mit diesen kombiniert werden, um einen Gegenstand zu beinhalten, der Mittel zum Ausführen einer beliebigen oder mehrerer der Funktionen der Aspekte 1-20 beinhalten kann, oder ein maschinenlesbares Medium mit Anweisungen, die, wenn sie durch eine Maschine ausgeführt werden, bewirken, dass die Maschine eine beliebige oder mehrere der Funktionen der Aspekte 1-20 ausführt.
Diese nicht einschränkenden Aspekte können in einer beliebigen Permutation oder Kombination kombiniert werden. Der vorliegende Abschnitt soll eine Übersicht über den Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung geben. Er soll nicht eine ausschließende oder erschöpfende Erläuterung der Erfindung geben. Die ausführliche Beschreibung wird vorgesehen, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung bereitzustellen.
Figurenliste
In den Zeichnungen, die nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind, können gleiche Zahlen in verschiedenen Ansichten ähnliche Komponenten beschreiben. Gleiche Zahlen mit verschiedenen angehängten Buchstaben können verschiedene Instanzen ähnlicher Komponenten repräsentieren. Die Zeichnungen zeigen allgemein beispielsweise, aber nicht als Beschränkung, verschiedene in der vorliegenden Schrift besprochene Ausführungsformen.

1A und 1B sind Blockschaltbilder, die eine Prüfschaltung und Sensorschaltung repräsentieren.
2A und 2B sind Blockschaltbilder, die eine andere Prüfschaltung 204 repräsentieren, die elektrisch mit einer Sensorschaltung gekoppelt ist.
3 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zum Steuern einer Prüfschaltung zur Messung einer internen Impedanz eines elektronischen Sensors.
4 ist ein Schaltbild von Teilen eines anderen Beispiels für eine elektrisch mit einer Sensorschaltung gekoppelte Prüfschaltung.
5 ist ein Flussdiagramm eines anderen Beispiels für ein Verfahren zum Steuern einer Prüfschaltung zur Messung einer internen Impedanz eines elektronischen Sensors.
6 ist ein Schaltbild von Teilen eines anderen Beispiels für eine elektrisch mit einer Sensorschaltung gekoppelte Prüfschaltung.
7 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zum Steuern einer Prüfschaltung zum Messen einer internen Impedanz eines elektronischen Sensors.
8 ist ein Schaltbild von Teilen eines anderen Beispiels für eine elektrisch mit einer Sensorschaltung gekoppelte Prüfschaltung.
9 ist ein Beispiel für die Ausgabe einer Sensorschaltung.
10 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zum Steuern einer Prüfschaltung zum Messen einer internen Impedanz eines elektronischen Sensors.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Einige intelligente Sensorschaltungen können elektrochemische Sensoren zum Überwachen einer Menge oder Konzentration von Gas beinhalten. Systemanforderungen an die Sensoren erfordern oft, dass eine Sensorschaltung einen niedrigen Stromverbrauch und geringes Rauschen aufweist, um Fehler zu verringern. Zur Maximierung der Langlebigkeit und Minimierung der Wartung ist es erwünscht, dass die Überwachungsschaltungen auch einen niedrigen Stromverbrauch aufweisen. Dies kann beim Entwurf von Schaltungen zur Überwachung verschiedener Arten von intelligenten Sensorschaltungen problematisch werden. Zum Beispiel kann es notwendig sein, die Impedanz einer Sensorschaltung für Diagnostikzwecke zu messen, aber intelligente Sensoren können einen großen Umfang interner Impedanzen aufweisen. Ein bestimmter Sensor kann einen Innenwiderstand von mehr als zehn Kiloohm (10kΩ) aufweisen, während andere Sensoren einen niedrigen Innenwiderstand (z.B. 1Ω) aufweisen können. Ein Sensor mit einer niedrigen internen Impedanz erfordert typischerweise ein höheres Spannungsmesssignal, um einen angemessenen Rauschabstand (SNR) bereitzustellen. Das Anlegen eines höheren Spannungsmesssignals an eine niedrige Impedanz kann jedoch zu hohem Stromverbrauch durch die Messschaltung führen, und manchmal kann die Sensorschaltung die der höheren Messung zugeordneten Ströme nicht tolerieren.
1A und 1B sind Blockschaltbilder einer Prüfschaltung 104 und Sensorschaltung 106. Die Prüfschaltung 104 kann auf einer integrierten Schaltung enthalten sein. Zur Messung der internen Impedanz der Sensorschaltung wird ein Erregungssignal zwischen einer Ansteuer- oder „D“-Verbindung und einer Transimpedanzverstärker(TIA-) oder „T“-Verbindung angelegt. Die Verbindungen „P“ und „N“ sind Erfassungsknoten zum Betrieb des Sensors. Zur Bestimmung der internen Impedanz der Sensorschaltung legt die Prüfschaltung unter Verwendung der Verbindungen D und T ein Erregungssignal an die Sensorschaltung an. In 1A hat das Erregungssignal einen Betrag von fünfzehn Millivolt (15 mV) und die Sensorschaltung 106 hat eine interne Impedanz von 181 Ω. Anlegen des Erregungssignals führt zu einem Strom durch den Sensor von 0,08 Milliampere (0,08 mA). Die Prüfschaltung kann den Innenwiderstand der Sensorschaltung unter Verwendung des ohmschen Gesetzes bestimmen. Die Prüfschaltung kann die bestimmte interne Impedanz einem Benutzer (z.B. durch Präsentieren des Werts auf eine Anzeige) oder einem Prozess (z.B. einem Prozess, der den Wert in Speicher speichert, oder einem Prozess, der die bestimmte Impedanz zum Unternehmen einer bestimmten Aktion verwendet) bereitstellen.
In 1B hat die Sensorschaltung 106 einen Innenwiderstand von 1 Ω, es kann aber erwünscht sein, den Sensor mit demselben Erregungssignal von 15 mV zu messen. Ein einfaches Anlegen des Erregungssignals führt zu einem Strom von 15 mA. Dieser Strom kann aus mehreren Gründen Probleme verursachen. Zum Beispiel kann der Strom für einen gewünschten Stromverbrauch zu groß sein, oder die Sensorschaltung kann nicht in der Lage sein, einen Strom dieses Betrags zu tolerieren. Zu versuchen, einen Strom von 0,08 mA und einen Strom von 15 mA zu berücksichtigen, kann auch Genauigkeitsprobleme bei durch die Überwachungsschaltungen vorgenommenen Messungen verursachen. Eine Verringerung der Erregungsspannung kann den SNR signifikant verringern.
2A und 2B sind Blockschaltbilder von weiteren Beispielen für eine Prüfschaltung 204, die elektrisch mit einer Sensorschaltung 206 gekoppelt ist. Die Prüfschaltung kann zur Bestimmung interner Impedanzen von Sensorschaltungen von etwa 200 Ω und auch Sensorschaltungen mit internen Impedanzen von weniger als 10 Ω verwendet werden. Die Prüfschaltung beinhaltet einen Lastwiderstand R_last, eine Erregungsschaltung 208 und einen Messschaltung 210. Der Lastwiderstand kann einen Widerstandswert von 100 Ω aufweisen (bei bestimmten Ausführungsformen weist der Lastwiderstand einen Widerstandswert von etwa 200 Ω auf). Die Messschaltung kann Logikschaltungen zum Ausführen der beschriebenen Funktionen beinhalten. Bei Varianten beinhaltet die Messschaltung einen Prozessor, wie etwa einen Mikroprozessor. In 2A verbindet die Messschaltung 210, wenn eine Sensorschaltung mit niedriger Impedanz zu überwachen ist, den Lastwiderstand in Reihe mit der internen Impedanz der Sensorschaltung, um einen Reihenwiderstand zu bilden. Die Erregungsschaltung 208 legt ein Erregungssignal mit einer vorbestimmten Spannung an den Reihenwiderstand an. Bei Varianten ist die vorbestimmte Spannung kleiner oder gleich 20 mV. Die Messschaltung bestimmt den Reihenwiderstand unter Verwendung des resultierenden Stroms und der vorbestimmten Spannung. In 2B legt die Prüfschaltung dann das Erregungssignal nur an den Lastwiderstand an. Das Erregungssignal bestimmt den Lastwiderstand unter Verwendung des resultierenden Stroms und der vorbestimmten Spannung. Die Prüfschaltung bestimmt die interne Impedanz der Sensorschaltung durch Subtrahieren des Lastwiderstand von dem Reihenwiderstand.
Das Hinzufügen des Lastwiderstands führt zu einer internen Impedanz, die zwischen den zwei Arten von Sensoren vergleichbar ist. Dies verbessert die Genauigkeit bei den durch die Prüfschaltung bestimmten Werten der Impedanz. In einigen Beispielen kalibriert die Messschaltung die vorbestimmte Spannung des Erregungssignals. Ein Kalibrationswiderstand eines vorbestimmten Widerstands kann elektrisch mit Ausgängen der Prüfschaltung verbunden werden, und die Prüfschaltung kann das Erregungssignal einstellen, bis ein spezifizierter Strom gemessen ist, der der vorbestimmten Spannung des Erregungssignals entspricht.
3 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren 300 zum Steuern einer Prüfschaltung zur Messung einer internen Impedanz eines elektronischen Sensors. Bei 305 wird ein Lastwiderstand elektrisch mit dem Sensor in Reihe geschaltet, um einen Reihenwiderstand des Lastwiderstands und der internen Impedanz des Sensors zu bilden. Bei 310 wird ein Erregungssignal mit einer vorbestimmten Spannung an den Reihenwiderstand angelegt und Bestimmung des Reihenwiderstands wird (z.B. durch das ohmsche Gesetz) bestimmt. Bei 315 wird die vorbestimmte Spannung an den Lastwiderstand angelegt, und der Lastwiderstand wird bestimmt. Bei 320 wird die interne Impedanz des Sensors unter Verwendung des bestimmten Lastwiderstands und Reihenwiderstands bestimmt. Einem Benutzer oder Prozess wird ein Wert der internen Impedanz bereitgestellt. Der Ansatz kann für andere Bereiche von interner Impedanz verwendet werden. Zum Beispiel kann die Prüfschaltung zur Messung von internen Impedanzen von Sensoren von etwa 1 kΩ bis 1 Ω verwendet werden.
4 ist ein Schaltbild von Teilen eines Beispiels für eine Prüfschaltung 404, die elektrisch mit einem Widerstand (Rx) gekoppelt ist, der die interne Impedanz einer Sensorschaltung 406 repräsentiert. Die Prüfschaltung 404 kann auf einer integrierten Schaltung enthalten sein. Die Prüfschaltung 404 beinhaltet eine Digital-Analog-Umsetzer- bzw. DAC-Schaltung 412, eine Erregungsschaltung 414 und eine Messschaltung 416. Zur Messung der internen Impedanz wird unter Verwendung einer Digital-Analog-Umsetzer-DAC-Schaltung 412 ein Prüfsignal erzeugt. Unter Verwendung des Erregungs-Operationsverstärkers 424 wendet die Erregungsschaltung 414 eine unter Verwendung des Prüfsignals erzeugte Erregungsschaltung auf die Sensorschaltung an. Ein sich aus der Erregung ergebendes Überwachungssignal wird durch die Messschaltung 416 zur Bestimmung der internen Impedanz verwendet. Zum Beispiel kann ein Erregungssignal einer vorbestimmten Spannung an die Sensorschaltung angelegt werden, und das resultierende Stromsignal kann zur Bestimmung der internen Impedanz verwendet werden. Die DAC-Schaltung 412 erlaubt die Erzeugung von Erregungssignalen mit verschiedener Frequenz und verschiedenem Betrag, wie etwa durch Steuern der DAC-Schaltung 412 mit einem Prozessor oder einer anderen Steuerschaltung (z.B. einem Signalformgenerator).
Wenn die zu messende interne Impedanz niedrig ist, kann es notwendig sein, die Spannung des Erregungssignals zu verringern, um den Strom durch den Sensor zu begrenzen und den Stromverbrauch der Prüfung zu begrenzen. Ein Problem beim Messen von internen Impedanzen für verschiedene Arten von Sensoren mit sehr verschiedenen internen Impedanzen ist, dass Schaltungsrauschen signifikant werden kann, wenn die Spannung des Erregungssignals verringert wird.
Die Erregungsschaltung 414 beinhaltet eine konfigurierbare erste Schaltungsverstärkungsstufe 420 und eine konfigurierbare zweite Schaltungsverstärkungsstufe 418. Die erste Schaltungsverstärkungsstufe 420 beinhaltet einen Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA). Die zweite Schaltungsverstärkungsstufe beinhaltet Widerstände Rd und ein Kreuzschalter-Netzwerk 422. Die Verstärkung der ersten Schaltungsstufe ist durch Ändern der programmierbaren Verstärkung konfigurierbar, und die Verstärkung der zweiten Schaltungsverstärkungsstufe 418 ist durch Ändern des Zustands des Kreuzschalter-Netzwerks 422 konfigurierbar. Die kombinierte Signalverstärkung der Erregungsschaltung 414 wird durch die Messschaltung (z.B. unter Verwendung einer Steuerschaltung) abhängig davon konfiguriert, ob die interne Impedanz der Sensorschaltung, die zu messen ist, in einem höheren Impedanzbereich oder niedrigeren Impedanzbereich liegt. Wenn die interne Impedanz in dem höheren Impedanzbereich liegt, wird eine höhere Signalverstärkung bereitgestellt.
Wenn die Sensorschaltung einen Wert der internen Impedanz in dem höheren Bereich aufweist, wird die Erregungsschaltung 414 in einem ersten Verstärkungsmodus konfiguriert. Die Erregungsschaltung erzeugt ein erstes Erregungssignal aus einem DAC-Schaltungsprüfsignal unter Verwendung einer ersten Signalverstärkung, die durch die erste Schaltungsverstärkungsstufe angewandt wird, und einer zweiten Signalverstärkung, die durch die zweite Schaltungsverstärkungsstufe angewandt wird. In einem Beispiel, das nicht als Beschränkung beabsichtigt ist, beträgt die Verstärkung der ersten Schaltungsverstärkungsstufe 420 1 und die Verstärkung der zweiten Schaltungsverstärkungsstufe 418 zwei, um eine Gesamt-Signalverstärkung von zwei für das Prüfsignal im ersten Verstärkungsmodus bereitzustellen.
Wenn die Sensorschaltung einen Wert der internen Impedanz in dem niedrigeren Bereich aufweist, wird die Erregungsschaltung 414 in einem zweiten Verstärkungsmodus konfiguriert. Die Erregungsschaltung erzeugt ein zweites Erregungssignal aus dem DAC-Schaltungsprüfsignal unter Verwendung einer durch die erste Schaltungsverstärkungsstufe angewandten dritten Signalverstärkung und einer durch die zweite Schaltungsverstärkungsstufe angewandten vierten Signalverstärkung. Die Verstärkungen in dem zweiten Verstärkungsmodus können Verstärkungswerte zwischen null und eins sein. In einem Beispiel beträgt die Verstärkung der ersten Schaltungsverstärkungsstufe 420 ein Zehntel (1/10) und die Verstärkung der zweiten Schaltungsverstärkungsstufe 418 ein Halb (½), um eine Gesamt-Signalverstärkung von einem Zwanzigstel (1/20) für das Prüfsignal im zweiten Verstärkungsmodus bereitzustellen. Die Werte der Signalverstärkung, die durch den zweiten Verstärkungsmodus bereitgestellt werden, können durch Ändern der Widerstandswerte geändert werden. In bestimmten Beispielen stellt die zweite Verstärkungsstufe im ersten Verstärkungsmodus eine Verstärkung von vier oder fünf und im zweiten Verstärkungsmodus von einem Viertel (1/4) oder einem Fünftel (1/5) bereit. Die Messschaltung 416 leitet selektiv das Anlegen des ersten Erregungssignals oder des zweiten Erregungssignals an den elektronischen Sensor und Berechnen der internen Impedanz des Sensors ein. Die kleine Signalverstärkung, wenn die interne Impedanz im niedrigeren Bereich liegt, verringert Schaltungsrauschen des PGA und des Erregungs-Operationsverstärkers 424. Dies verbessert Genauigkeit der Messung der internen Impedanz im niedrigeren Bereich.
5 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren 500 zum Steuern einer Prüfschaltung zur Messung einer internen Impedanz eines elektronischen Sensors. Bei 505 wird ein erstes Erregungssignal in einem ersten Verstärkungsmodus an den Sensor angelegt, wenn die interne Impedanz des Sensors einen ersten Bereich interner Impedanz aufweist. Im ersten Verstärkungsmodus wird das erste Erregungssignal basierend auf einem Prüfsignal erzeugt, unter Verwendung einer ersten Signalverstärkung, die mittels einer ersten Schaltungsverstärkungsstufe erzeugt wird, und einer zweiten Signalverstärkung, die mittles einer zweiten Schaltungsverstärkungsstufe erzeugt wird.
Bei 510 wird ein zweites Erregungssignal in einem zweiten Verstärkungsmodus an den Sensor angelegt, wenn die interne Impedanz des Sensors einen zweiten Bereich interner Impedanz aufweist. In einigen Beispielen sind die Werte der Impedanz im zweiten Impedanzbereich niedriger als die Werte der Impedanz im ersten Impedanzbereich. Im zweiten Verstärkungsmodus wird das zweite Erregungssignal aus dem Prüfsignal unter Verwendung einer dritten Signalverstärkung unter Verwendung der ersten Schaltungsverstärkungsstufe und einer vierten Signalverstärkung unter Verwendung der zweiten Signalverstärkungsstufe erzeugt.
Bei 515 wird die interne Impedanz des Sensors im ersten Verstärkungsmodus unter Verwendung des ersten Erregungssignals und im zweiten Verstärkungsmodus unter Verwendung des zweiten Erregungssignals berechnet. Die berechnete interne Impedanz kann einem Benutzer oder Prozess bereitgestellt werden. Der Bereich interner Impedanz der Sensorschaltung, und dementsprechend, welche Signalverstärkung beim Messen der Sensorschaltung zu verwenden ist, kann zeitlich im Voraus (z.B. durch die Art von Sensor) bekannt und durch einen Benutzer programmiert sein. In anderen Beispielen kann die Messschaltung bestimmen, welche Signalverstärkung auf die Erregungsschaltung anzuwenden ist. In einigen Beispielen beinhaltet die Sensorschaltung eine Kennung (z.B. einen maschinenlesbaren Typcode), die durch die Prüfschaltung gelesen wird. In einigen Beispielen wird ein Erregungssignal einer vorbestimmten Spannung an die Sensorschaltung angelegt, um eine Grob-Impedanzmessung zu bestimmen, um den Bereich interner Impedanz der Sensorschaltung zu bestimmen, und die Signalverstärkung wird dementsprechend gesetzt.
6 ist ein Schaltbild von Teilen eines anderen Beispiels für eine Prüfschaltung 604, die elektrisch mit einer Sensorschaltung 606 gekoppelt ist. Die Prüfschaltung kann in einer integrierten Schaltung enthalten sein. In bestimmten Beispielen ist die Sensorschaltung in derselben integrierten Schaltung und der Prüfschaltung enthalten. Der elektronische Sensor kann ein elektrochemischer Sensor oder ein Gassensor sein. Die Impedanz des elektronischen Sensors kann sich ändern, wenn der Sensor benutzt wird, und Messen der Impedanz des Sensors kann nützlich sein, um die verbleibende Nutzungsdauer des Sensors zu schätzen. Bestimmen, wann sich der Sensor dem Ende seiner Nutzungsdauer nähert, kann wichtiger sein, wenn der Sensor zur Erfassung einer giftigen Substanz oder eines giftigen Gases verwendet wird.
Die Prüfschaltung 604 beinhaltet eine Erregungsschaltung 614 und eine Messschaltung 616. Die Erregungsschaltung stellt ein Erregungssignal zur Messung von Impedanz bereit. Die Messschaltung kann Logikschaltkreise zum Ausführen der beschriebenen Funktion aufweisen und kann Steuerschaltkreise zur Einleitung der Messungen und Berechnungen beinhalten. Um eine unbekannte Impedanz einer Sensorschaltung Rx zu bestimmen, kann ein Erregungssignal Vexc an die Sensorschaltung angelegt und der Sensorstrom Ix gemessen werden, wobei Ix = Vexc/Rx ist. Dasselbe Erregungssignal Vexc wird an einen bekannten Kalibrationswiderstand 626 (Rcal) angelegt, und der Kalibrationsstrom Ical wird gemessen, wobei Ical = Vexc/Rcal ist. Da Vexc bei beiden Messungen gleich ist, kann die unbekannte Impedanz des Sensors als Rx= Rcal(Ical/Ix) bestimmt werden.
Dieser Messansatz funktioniert gut, wenn der Wert von Rx in derselben Größenordnung wie Real liegt. Der Ansatz funktioniert jedoch weniger gut, wenn die Sensorimpedanz von Real zu verschieden ist. Wenn zum Beispiel Rcal etwa 200 Ω und Vexc 1 V ist, beträgt Iexc etwa fünf Milliampere (5 mA). Wenn Rx ein Megaohm (1 MΩ) ist, beträgt Ix etwa ein Mikroampere (1 µA). Diese Stromwerte sind zu verschieden, damit die Messschaltung die gewünschte Genauigkeit bereitstellen kann. Hinzufügen von Verstärkung zu dem Signal für die Messung kann auch Verstärkung des Signalfehlers hinzufügen, was den Fehler bei der Messung des Signals vergrößert.
Die Prüfschaltung 604 von 6 beinhaltet einen einstellbaren Brückenwiderstand 628 zusätzlich zu dem Kalibrationswiderstand. Der Wert des Brückenwiderstands wird auf zwischen den Widerstandswert von Rcal und den Wert der Sensorimpedanz eingestellt. Der Brückenwiderstand kann eine kostengünstige Widerstandsschaltung sein, und der Widerstand kann nicht mit der gewünschten Genauigkeit bekannt sein. Die Prüfschaltung 604 kann eine Multiplexerschaltung beinhalten, mit der man selektiv das Erregungssignal an den Kalibrationswiderstand, den einstellbaren Brückenwiderstand oder die Sensorschaltung 606 anlegen kann.
Ein erstes vorbestimmtes Erregungssignal kann an Rcal und den Brückenwiderstand Rb angelegt werden, und ein zweites vorbestimmtes Erregungssignal kann an den Brückenwiderstand Rb und die Sensorschaltung Rx angelegt werden. Auf die getrennten Erregungssignale kann verschiedene Verstärkung angewandt werden, und die gemessenen Ströme können zur Bestimmung der Impedanz des elektronischen Sensors verwendet werden.
Zum Beispiel kann die Messschaltung 616 ein erstes Erregungssignal Vexc₁ an den Kalibrationswiderstand Rcal anlegen und einen Kalibrationsstrom Ical messen. Das erste Erregungssignal wird an den Brückenwiderstand Rb angelegt, und es kann ein erster Brückenstrom Ib₁ gemessen werden. Die Messschaltung 616 legt ein zweites Erregungssignal Vexc₂ an den Brückenwiderstandswert an, und es kann ein zweiter Brückenstrom Ib₂ gemessen werden. Das zweite Erregungssignal wird an den Sensor angelegt, und es wird ein Sensorstrom Ix gemessen. Die Impedanz des Sensors wird als $Rx= (Rcal) ({Ical/Ib}_{1}) ({Ib}_{2} / Ix)$
bestimmt, wobei Ib₁ der Strom in dem Brückenwiderstand ist, wenn die Erregung Vexc₁ ist, und Ib₂ der Strom in dem Brückenwiderstand ist, wenn die Erregung Vexc₂ ist. Da die Messerregungsspannung und die Verstärkung für jedes Paar von Strommessungen gleich sind, ist die Genauigkeit der Messspannung und der Verstärkung in dem Messsystem unwichtig.
In einem Beispiel, das als Veranschaulichung und nicht als Beschränkung beabsichtigt ist, kann, wenn bekannt ist, dass die Sensorimpedanz in dem Bereich von etwa 200 Ω liegt und Rcal 10 kΩ ist, der Brückenwiderstand 1,128 kΩ sein. In diesem Fall können das Verhältnis des Brückenwiderstands und des Kalibrationswiderstands und das Verhältnis des Brückenwiderstands und der Sensorimpedanz nicht zu groß sein und ein Wert des Brückenwiderstands kann verwendet werden. Die Messschaltung kann ein Erregungssignal an den Sensor anlegen, um eine Schätzung der Impedanz zu erhalten, bevor der Wert des Brückenwiderstands gesetzt wird. Die Messung ist eine Schätzung, weil das Erregungssignal typischerweise nicht die erforderliche Genauigkeit aufweist. Die Messschaltung 616 kann den Brückenwiderstandswert auf einen groben oder ungefähren Widerstandswert setzen, bevor der Brückenwiderstandswert genauer bestimmt wird. Falls erwünscht kann die Messschaltung 616 auch zur Messung des Widerstands von Rcal verwendet werden. Die Multiplexerschaltung 630 kann zum Anlegen des Erregungssignals an den Kalibrationswiderstand verwendet werden, und die Messschaltung 616 kann den Kalibrationswiderstand unter Verwendung des Erregungssignals berechnen.
In einem anderen Beispiel können, wenn die Impedanzdifferenz zwischen der Sensorimpedanz Rx und dem Kalibrationswiderstand Rcal zu groß ist, mehrere Brückenwiderstandsschritte verwendet werden, um die Messungen zwischen Rcal und Rx zu überbrücken. Zum Beispiel kann die Messschaltung 616 ein erstes Erregungssignal Vexc₁ an den Kalibrations- und den ersten Brückenwiderstand Rb₁ anlegen, um den Kalibrationsstrom Ical und den ersten Brückenstrom Ib₁₁ wie in dem vorherigen Beispiel zu messen, wobei Ib₁₁ der Brückenstrom für den ersten Brückenwiderstandswert und das erste Erregungssignal ist. Der erste Brückenwiderstandswert kann näher bei Rcal als Rx gesetzt werden. Die Messschaltung 616 legt ein zweites Erregungssignal an den ersten Brückenwiderstandswert an, und es wird ein zweiter Brückenstrom Ib₁₂ gemessen, wobei Ib₁₂ der Brückenstrom für den ersten Brückenwiderstandswert Rb₁ und das zweite Erregungssignal Vexc₂ ist.
Der Brückenwiderstand wird dann in einen zweiten Wert Rb₂ umgeändert, der Rx näher als Rcal sein kann. In einem Beispiel, das veranschaulichend und nicht beschränkend sein soll, kann, wenn bekannt ist, dass die Sensorimpedanz im Bereich von etwa 200 Ω liegt und Rcal 10 kΩ ist, der Wert von Rb₁ auf 712 Ω gesetzt werden, und Rb₂ kann 2,53 kΩ sein. Das zweite Erregungssignal Vexc₂ wird an den zweiten Brückenwiderstand angelegt, und es wird ein dritter Brückenstrom Ib₂₂ gemessen. Ein drittes Erregungssignal Vexc3 wird an den zweiten Brückenwiderstand Rb₂ angelegt, und es wird ein vierter Brückenstrom Ib₂₃ gemessen, wobei Ib₂₃ der Brückenstrom für den zweiten Brückenwiderstand Rb₂ und das dritte Erregungssignal Vexc₃ ist. Dann wird das dritte Erregungssignal an die Sensorimpedanz Rx angelegt, und es wird der Sensorstrom Ix gemessen. Die Impedanz des Sensors Rx kann dann unter Verwendung des Kalibrationswiderstands Rcal, des Kalibrationsstroms Ical, des ersten Brückenstroms Ib₁₁ des zweiten Brückenstroms Ib₁₂, des dritten Brückenstroms Ib₂₂, des vierten Brückenstroms Ib₂₃ und des Sensorstroms Ix bestimmt werden durch $Rx= (Rcal) ({Ical/Ib}_{11}) ({Ib}_{12} / {Ib}_{22}) ({Ib}_{23} / Ix) .$
7 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren 700 zum Steuern einer Prüfschaltung zur Messung einer internen Impedanz eines elektronischen Sensors. Bei 705 wird ein erstes vorbestimmtes Erregungssignal an einen Kalibrationswiderstand angelegt und es wird ein Kalibrationsstrom gemessen. Dann wird ein Brückenwiderstandswert ausgewählt. In einigen Beispielen wird durch die Prüfschaltung ein ungefährer oder grober Wert der Sensorimpedanz bestimmt, und der Brückenwiderstandswert wird dementsprechend durch die Prüfschaltung oder einen Benutzer gesetzt. Die Prüfschaltung kann eine in Speicher gespeicherte Tabelle beinhalten, und die Prüfschaltung kann den Brückenwiderstand durch Verwendung der ungefähren Sensorimpedanz als Index in die Tabelle setzen. Bei 710 wird dasselbe erste Erregungssignal an den Brückenwiderstand angelegt und es wird ein erster Brückenstrom gemessen.
Bei 715 wird ein zweites vorbestimmtes Erregungssignal an den Brückenwiderstand angelegt und es wird ein zweiter Brückenstrom gemessen. Bei 720 wird dasselbe zweite Erregungssignal an den Sensor angelegt und es wird ein Sensorstrom gemessen. Bei 725 wird die interne Impedanz des Sensor durch die Prüfschaltung unter Verwendung des Kalibrationswiderstands, des Kalibrationsstroms, des ersten Brückenstroms, des zweiten Brückenstroms und des Sensorstroms berechnet. Die berechnete Impedanz kann dann einem Benutzer oder Prozess. Zum Beispiel kann die interne Impedanz zur Einschätzung der verbleibenden Nutzungsdauer des elektronischen Sensors verwendet werden.
Es können mehr als ein Brückenwiderstand benötigt werden. Der Brückenwiderstand kann gemäß einem Verhältnis bestimmt werden. Die Prüfschaltung kann den Brückenwiderstand so bestimmen, dass ein Verhältnis der Kalibrationsimpedanz und der Brückenimpedanz auf etwa vier gehalten wird. Wenn das Verhältnis der ausgewählten Brückenimpedanz und des ungefähren Sensorwerts nicht auch innerhalb eines gewünschten Verhältnisses liegt, kann die Prüfschaltung einen zweiten Brückenwiderstand auswählen, der innerhalb des gewünschten Verhältnisses des Sensors und innerhalb eines gewünschten Verhältnisses des ersten Brückenwiderstandswerts liegt. Die Sensorimpedanz wird dann unter Verwendung des Kalibrationswiderstands, des Kalibrationsstroms, der vier Brückenströme und des Sensorstroms wie in dem zuvor beschriebenen Beispiel bestimmt. Dieser Ansatz kann erweitert werden. Es können mehr als zwei Brückenwiderstände benötigt werden, wenn die Wertedifferenz des Kalibrationswiderstands und der Sensorimpedanz zu groß ist.
8 ist ein Schaltbild von Teilen eines anderen Beispiels für eine Prüfschaltung 804, die elektrisch mit einer Sensorschaltung 806 gekoppelt ist. Zusätzlich zu dem Umgang mit Stromverbrauch und Schaltungsrauschen kann es notwendig sein, dass Schaltungen zum Überwachen der Ausgabe elektronischer Sensoren die Ausgabe der Sensorschaltungen anpassen, um die Genauigkeit zu verbessern.
Die Prüfschaltung 804 kann auf einer integrierten Schaltung enthalten sein und beinhaltet einen Eingang zum Empfangen eines elektrischen Signals von der Sensorschaltung 806, eine DAC-Schaltung 832, einen PGA 834 und eine Messschaltung 836. In bestimmten Beispielen ist die Sensorschaltung auf derselben integrierten Schaltung und der Prüfschaltung enthalten. der Sensor kann zur Detektion einer Konzentration einer Chemikalie oder eines Gases in der den Sensor enthaltenden Umgebung verwendet werden. Die interne Impedanz des Sensors variiert mit der Konzentration. Der Sensor ist mit einem resistiven Teiler gekoppelt, der einen Referenzwiderstand 840 (Rref) beinhaltet. Ein Schalter 842 kann den resistiven Teiler während der Messung der Sensorausgabe freigeben. Der Schalter kann auch für eine kurze Zeit (z.B. 200 Mikrosekunden (200 µs)) aktiviert werden, um den Strompfad durch den Sensor freizugeben, um den Sensor kurz zu erwärmen, und dann deaktiviert werden, um Strom zu sparen. Durch Messen von Rref kann der Strom überwacht werden, um die auf dem Sensor brennende mittlere Leistung genau zu steuern, um die Temperatur genau zu steuern, um die Empfindlichkeit des Sensors für die Messung genau zu steuern.
Die Messschaltung 836 kann eine Steuerung beinhalten, um den Schalter zu öffnen, um Energie zu sparen, wenn keine Messung durchgeführt wird. Die an den Sensor angelegte Spannung Vcc wird durch die interne Impedanz des Sensors 806 und den Referenzwiderstand 840 geteilt. Zur Überwachung des Sensors variiert die Spannung des Signals von dem Sensor mit der Konzentration der Chemikalie oder des Gases. Zum Beispiel kann der Sensor ein Gassensor sein. Die interne Impedanz des Sensors kann mit der Gaskonzentration variieren und kann eine Spannung proportional zu einer Konzentration des Gases bereitstellen.
Das Signal von der Sensorschaltung 806 beinhaltet ein Gleichstrom- bzw. DC-Offset und eine variierende Signalkomponente. Das DC-Offset kann auftreten, wenn die interne Impedanz der Sensorschaltung eine ungefähre Impedanz aufweist, die um einen kleinen Betrag variiert. Zum Beispiel kann die interne Impedanz des Sensors über den Bereich der Konzentration des Gases von zwischen 18 Ω-20 Ω variieren. Die Spannung aufgrund der 18 Ω würde in dem elektrischen Signal vom Sensor als ein DC-Offset erscheinen.
9 sind Graphen eines Beispiels für die Ausgabe der Sensorschaltung 806 als Funktion der Konzentration eines Gases. Die DC-Komponente ist als Vshift gezeigt. Graph 905 zeigt, dass die ausgegebene Spannung zwischen 2,37 Volt (2,37 V) und 2,5 V variiert. Das DC-Offset verhindert Verwendung einer Messschaltung niedrigerer Spannung, wenn es erwünscht ist, und kann den messbaren Bereich der Änderung der Ausgabe begrenzen, was sich auf die Genauigkeit der Messung auswirken kann. Um die Genauigkeit zu verbessern, wird das DC-Offset entfernt. Graph 910 zeigt die Ausgabe des Sensors nach dem Verschieben der Ausgabe, so dass sie auf null Volt zentriert ist, und auf das Signal vom Sensor angewandter Signalverstärkung. Der Graph 910 zeigt, dass die Genauigkeit der Messung durch den größeren Signalbereich verbessert werden kann, und eine Messschaltung mit einer niedrigeren Spannung zur Überwachung der Ausgabe verwendet werden kann.
Die Prüfschaltung 804 beinhaltet eine DAC-Schaltung 832 zum Entfernen des DC-Offsets in dem vom Sensor empfangenen Signal. Die DAC-Schaltung 832 kann vom Benutzer programmiert werden, ein bekanntes DC-Offset zu subtrahieren, oder automatisch durch eine Steuerschaltung eingestellt werden, um ein gemessenes DC-Offset zu subtrahieren. Der PGA 834 wendet eine Signalverstärkung auf das durch die DAC-Schaltung verschobene Signal an. Die Menge an durch den PGA 834 bereitgestellter Verstärkung kann auch durch einen Benutzer gesetzt oder automatisch unter Verwendung einer Steuerschaltung eingestellt werden. Die Messschaltung 836 erzeugt ein Maß für die variierende Signalkomponente. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Messschaltung 836 eine Analog-Digital-Umsetzer- bzw. ADC-Schaltung 838 zur Erzeugung eines digitalen Werts, der das Signal von der Sensorschaltung 806 repräsentiert. In dem Beispiel von 8 ist die ADC-Schaltung eine 16-Bit-ADC-Schaltung. Die durch den PGA bereitgestellte Signalverstärkung erlaubt mehr Signalauslenkung, wodurch die Genauigkeit des 16-Bit-ADC nützlicher wird. Abhängig von der Anwendung kann die Messschaltung auch eine Schaltung für schnelle Fouriertransformation (FFT) beinhalten, die dazu ausgebildet ist, einen Frequenzgang der variierenden Signalkomponente zu messen.
10 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren 1000 zum Steuern einer Prüfschaltung zur Messung einer internen Impedanz eines elektronischen Sensors. Bei 1005 wird ein Eingangssignal durch die Prüfschaltung von dem elektronischen Sensor empfangen. Das Eingangssignal beinhaltet eine DC-Offsetkomponente und eine variierende Signalkomponente. Bei 1010 wird das DC-Offset unter Verwendung einer DAC-Schaltung von dem Eingangssignal entfernt und auf die übrige der variierenden Signalkomponente wird Signalverstärkung angewandt. Bei 1015 wird die variierende Signalkomponente mit der angewandten Signalverstärkung unter Verwendung einer Messschaltung gemessen. Die Messung kann einen unter Verwendung einer ADC-Schaltung bestimmten digitalen Wert beinhalten. Die Messung kann einem Benutzer und/oder Prozess bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann der Sensor ein Sauerstoffsensor sein. Wie in 8 gezeigt, kann die Prüfschaltung eine Detektionsschaltung 844 beinhalten. Die Detektionsschaltung kann eine Angabe einer unteren Explosivgrenze (LEL) gemäß dem Maß für die variierende Signalkomponente erzeugen. Die Angabe kann zur Erzeugung eines Alarms hinsichtlich der LEL verwendet werden.
Die hier beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme erlauben die Überwachung von intelligenten Sensoren mit niedrigem Stromverbrauch und verbesserter Genauigkeit.
ZUSÄTZLICHE BESCHREIBUNG
Die obige ausführliche Beschreibung beinhaltet Bezugnahmen auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen werden hier auch als „Beispiele“ bezeichnet. Alle in der vorliegenden Schrift erwähnten Publikationen, Patente und Patenschriften werden hiermit durch Bezugnahme vollständig aufgenommen, als würden sie einzeln durch Bezugnahme aufgenommen. Im Fall von nichtvereinbaren Benutzungen zwischen der vorliegenden Schrift und diesen Schriften, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen werden, sollte die Benutzung in der aufgenommenen Literaturstelle bzw. den aufgenommenen Literaturstellen als die der vorliegenden Schrift ergänzend betrachtet werden; bei nichtauflösbaren Unstimmigkeiten überwiegt die Benutzung in der vorliegenden Schrift.
In der vorliegenden Schrift werden die Ausdrücke „ein“ oder „eine“ verwendet, so wie es in Patentschriften üblich ist, um eines oder mehr als eines zu beinhalten, unabhängig von etwaigen anderen Instanzen oder Benutzungen von „mindestens eines“ oder „eines oder mehrere“. In der vorliegenden Schrift bezieht sich der Ausdruck „oder“ auf ein nicht ausschließendes oder, so dass „A oder B“ „A aber nicht B“, „B aber nicht A“ und „A und B“ beinhaltet, sofern es nicht anders angegeben ist. In den angefügten Ansprüchen werden die Ausdrücke „beinhalten“ und „worin“ als die üblichen Äquivalente der jeweiligen Ausdrücke „aufweisen“ und „wobei“ benutzt. Außerdem sind in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „beinhalten“ und „aufweisen“ offenendig, das heißt, ein System, eine Vorrichtung, ein Artikel oder ein Prozess, das bzw. die bzw. der Elemente zusätzlich zu den nach einem solchen Ausdruck in einem Anspruch aufgelisteten beinhaltet, werden immer noch als in dem Schutzumfang dieses Anspruchs enthaltend betrachtet. Außerdem werden in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „erstes“, „zweites“ und „drittes“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen ihren Objekten keinerlei numerische Anforderungen auferlegen. Hier beschriebene Verfahrensbeispiele können mindestens teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein.
Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht einschränkend sein. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Es können andere Ausführungsformen verwendet werden, wie etwa von Durchschnittsfachleuten bei Durchsicht der obigen Beschreibung. Die Zusammenfassung wird bereitgestellt, um 37 C.F.R. §1.72(b) zu genügen, um es dem Leser zu erlauben, die Beschaffenheit der technischen Offenbarung schnell zu bestimmen. Sie wird mit dem Verständnis eingereicht, dass sie nicht zur Deutung oder Begrenzung des Schutzumfangs oder der Bedeutung der Ansprüche verwendet wird. Außerdem können in der obigen ausführlichen Beschreibung verschiedene Merkmale gruppiert werden, um die Offenbarung zu straffen. Dies sollte nicht als Absicht gedeutet werden, dass ein unbeanspruchtes offenbartes Merkmal für irgendeinen Anspruch wesentlich ist. Stattdessen kann erfindungsgemäßer Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform begründet sein. Die folgenden Ansprüche werden somit hierdurch in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich als getrennte Ausführungsform steht. Der Schutzumfang der Erfindung sollte durch Bezugnahme auf die angefügten Ansprüche, zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind, bestimmt werden.

Claims

Prüfschaltung für einen elektronischen Sensor, wobei die Prüfschaltung Folgendes aufweist: einen Lastwiderstand, der mit dem elektronischen Sensor in Reihe schaltbar ist, um einen Reihenwiderstand des Lastwiderstands und der internen Impedanz des elektronischen Sensors zu bilden; eine Erregungsschaltung, ausgebildet zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an ein Schaltungselement; und eine Messschaltung, ausgebildet zum: Einleiten des Anlegens der vorbestimmten Spannung an den Reihenwiderstand und Bestimmen des Reihenwiderstands; Einleiten des Anlegens der vorbestimmten Spannung an den Lastwiderstand und Bestimmen des Lastwiderstands; und Berechnen der internen Impedanz des Sensors unter Verwendung des bestimmten Reihenwiderstands und des Lastwiderstands und Bereitstellen der berechneten internen Impedanz für einen Benutzer oder Prozess.
Prüfschaltung nach Anspruch 1, wobei die Erregungsschaltung ausgebildet ist zum Anlegen eines spezifizierten elektrischen Signals mit einer Signalamplitude von weniger als zwanzig Millivolt (20 mV) an den Reihenwiderstand, und die interne Impedanz des elektronischen Sensors kleiner als zehn Ohm (10Ω) ist.
Prüfschaltung nach Anspruch 1, wobei der elektronische Sensor ein elektrochemischer Sensor ist.
Integrierte Schaltung, die Folgendes aufweist: eine Erregungsschaltung, ausgebildet zum Anlegen von Erregungssignalen an eine Sensorschaltung, wobei die Erregungsschaltung eine konfigurierbare erste Schaltungsverstärkungsstufe und eine konfigurierbare zweite Schaltungsverstärkungsstufe beinhaltet, wobei in einem ersten Verstärkungsmodus die Erregungsschaltung unter Verwendung einer durch die erste Schaltungsverstärkungsstufe angewandten ersten Signalverstärkung und einer durch die zweite Schaltungsverstärkungsstufe angewandten zweiten Signalverstärkung ein erstes Erregungssignal aus einem Prüfsignal erzeugt und die Erregungsschaltung in einem zweiten Verstärkungsmodus unter Verwendung einer durch die erste Schaltungsverstärkungsstufe angewandten dritten Signalverstärkung und einer durch die zweite Schaltungsverstärkungsstufe angewandten vierten Signalverstärkung ein zweites Erregungssignal aus dem Prüfsignal erzeugt; und eine Messschaltung, ausgebildet zum selektiven Einleiten des Anlegens des ersten Erregungssignals oder des zweiten Erregungssignals an den elektronischen Sensor und Berechnen der internen Impedanz des Sensors.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, wobei die Messschaltung ausgebildet ist zum Einleiten des Anlegens des ersten Erregungssignals an den elektronischen Sensor, wenn die interne Impedanz des Sensors einen ersten internen Impedanzbereich aufweist, und Einleiten des Anlegens des zweiten Erregungssignals an den elektronischen Sensor, wenn die interne Impedanz des Sensors einen zweiten internen Impedanzbereich aufweist, wobei die erste interne Impedanz größer als der zweite interne Impedanzbereich ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Signalverstärkung der zweiten Verstärkungsschaltungsstufe im ersten Verstärkungsmodus eins ist und im zweiten Verstärkungsmodus kleiner als eins und größer als null ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Signalverstärkung der ersten Verstärkungsschaltungsstufe im ersten Verstärkungsmodus größer als eins ist und im zweiten Verstärkungsmodus kleiner als eins und größer als null ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, die eine Digital-Analog-Umsetzer- bzw. DAC-Schaltung beinhaltet, die dazu ausgebildet ist, das Prüfsignal zu erzeugen.
Prüfschaltung, die Folgendes aufweist: einen einstellbaren Brückenwiderstand und einen Kalibrationswiderstand zur Kopplung mit einem elektronischen Sensor; eine Erregungsschaltung, ausgebildet zum Anlegen eines Erregungssignals an den elektronischen Sensor, den Brückenwiderstand und den Kalibrationswiderstand; und eine Messschaltung, ausgebildet zum: Anlegen eines ersten Erregungssignals an einen Kalibrationswiderstand und Messen eines Kalibrationsstroms; Anlegen des ersten Erregungssignals an einen ersten Brückenwiderstand und Messen eines ersten Brückenstroms; Anlegen eines zweiten Erregungssignals an den ersten Brückenwiderstand und Messen eines zweiten Brückenstroms; Anlegen des zweiten Erregungssignals an den Sensor und Messen eines Sensorstroms; und Berechnen der internen Impedanz des Sensors unter Verwendung des Kalibrationswiderstands, des Kalibrationsstroms, des ersten Brückenstroms, des zweiten Brückenstroms und des Sensorstroms.
Prüfschaltung nach Anspruch 9, die eine Multiplexerschaltung beinhaltet, ausgebildet zum selektiven Anlegen eines Erregungssignals an den Kalibrationswiderstand, den einstellbaren Brückenwiderstand oder den Sensor.
Prüfschaltung nach Anspruch 10, wobei die Multiplexerschaltung ausgebildet ist zum Anlegen eines Erregungssignals an den Kalibrationswiderstand und die Messschaltung ausgebildet ist zum Berechnen des Kalibrationswiderstands unter Verwendung des Erregungssignals.
Prüfschaltung nach Anspruch 9, wobei die Messschaltung ausgebildet ist zum Setzen des Brückenwiderstands auf einen Grob-Brückenwiderstandswert vor dem Anlegen des Erregungssignals an den Brückenwiderstand.
Prüfschaltung nach Anspruch 9, wobei die Messschaltung ausgebildet ist zum: Anlegen eines dritten Erregungssignals an den ersten Brückenwiderstand und Messen eines dritten Brückenstroms, Anlegen des dritten Erregungssignals an einen zweiten Brückenwiderstand und Messen eines vierten Brückenstroms und Berechnen der internen Impedanz des Sensors unter Verwendung des Kalibrationswiderstands, des Kalibrationsstroms, des ersten Brückenstroms, des zweiten Brückenstroms, des dritten Brückenstroms, des vierten Brückenstroms und des Sensorstroms.
Prüfschaltung nach Anspruch 9, wobei der elektronische Sensor ein elektrochemischer Sensor ist und die Impedanz des elektrochemischen Sensors die verbleibende Nutzungsdauer des elektrochemischen Sensors repräsentiert.
Gerät, das eine integrierte Schaltung aufweist, wobei die integrierte Schaltung Folgendes beinhaltet: einen Eingang zum Empfangen eines elektrischen Signals von einem elektronischen Sensor, wobei das elektrische Signal ein Gleichstrom- bzw. DC-Offset und eine variierende Signalkomponente beinhaltet; eine Digital-Analog-Umsetzer- bzw. DAC-Schaltung, ausgebildet zum Subtrahieren des DC-Offsets von dem Eingangssignal; einen wirksam mit der DAC-Schaltung gekoppelten Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA), wobei die PGA-Schaltung ausgebildet ist zum Anwenden von Signalverstärkung auf die variierende Signalkomponente des Eingangssignals; und eine Messschaltung, ausgebildet zum Erzeugen eines Maßes für die variierende Signalkomponente.
Gerät nach Anspruch 15, wobei die Messschaltung eine Analog-Digital-Umsetzer- bzw. ADC-Schaltung beinhaltet, die dazu ausgebildet ist, ein Maß für die variierende Signalkomponente zu erzeugen.
Gerät nach Anspruch 15, wobei die Messschaltung eine Schaltung zur schnellen Fouriertransformation (FFT) beinhaltet, ausgebildet zum Messen eines Frequenzgangs der variierenden Signalkomponente.
Gerät nach Anspruch 15, das den wirksam mit der integrierten Schaltung gekoppelten elektronischen Sensor beinhaltet, wobei der elektronische Sensor ein resistiver elektronischer Sensor ist.
Gerät nach Anspruch 18, wobei der elektronische Sensor ein Gassensor ist und das elektrische Signal von dem elektronischen Sensor proportional zu einer Menge an Gas in einer Atmosphäre ist.
Gerät nach Anspruch 19, das eine Detektionsschaltung beinhaltet, wobei der elektronische Sensor ein Sauerstoffsensor ist und die Detektionsschaltung ausgebildet ist zum Erzeugen einer Angabe einer unteren Explosivgrenze gemäß dem Maß für die variierende Signalkomponente.