支持RF无线传输的pH传感器参考设计

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。

实践中常常使用另一种方法，即利用多种缓冲溶液来设置一些点以构建一般的线性或非线性方程。在此例程中，需要两种经NIST认证并可追溯的额外pH缓冲溶液。这两种额外缓冲溶液的pH值至少应相差2。

通过缓冲溶液执行校准的方法如下：

第1步：从第一种缓冲溶液中移出电极组件并用去离子水或蒸馏水清洗之后，将带温度传感器的pH探针浸入所选的第二种缓冲溶液中。

第2步：重复第2步，但使用第三种缓冲溶液。

第3步：根据利用所选缓冲溶液测得的值建立方程。

可利用多个数学方程导出校准方程。常用公式之一是点斜式直线方程。此方程使用校准期间获得的两点：P1 (Vm1, pH1)和P2 (Vm2,pH2)，其中P1和P2是利用所选缓冲溶液测得的点。为了确定未知溶液的pH值，对于给定点Px (Vmx, pHx)，可以利用方程进行简单的线性插值：

(pHx –pH1)/(Vmx –Vm1) = (pH1 –pH2)/(Vm1 –Vm2)，或简单写为pHx= (Vmx –Vm1) ×(pH1 –pH2)/(Vm1 –Vm2) + pH1。

若有多组点，为提高精度，可使用一阶线性回归。给定n个数据点P0 (Vm0, pH0)、P1 (Vm1, pH1)、P2 (Vm2, pH2)、P3 (Vm3, pH3)、…、Pn (Vmn, pHn)，可以利用最小二乘法建立一般方程pHx = a + b ×Vmx，其中b为直线的斜率，a为截距，其值如下：

以及

最小二乘逼近法可扩展到更高阶，例如二阶非线性方程。一般二阶方程可以表示为：pHx = a + b ×Vmx + c × Vmx2。a、b和c的值可计算如下：

这个方程组可通过代入、消元或矩阵方法来求解，从而获得未知变量a、b、c的值。

硬件设计解决方案

缓冲放大器

在此给定条件下，为使电路与该高源电阻隔离开来，需要一个高输入阻抗、超低输入偏置电流的缓冲放大器。低噪声运算放大器AD8603可用作该应用的缓冲放大器。AD8603的低输入电流可以最大限度地减少流过电极电阻的偏置电流所产生的电压误差。就25°C下串联电阻为1 G?的pH探针来说，对于200 fA典型输入偏置电流，失调误差为0.2 mV (0.0037 pH)。即使在1 pA的最大输入偏置电流下，误差也只有1 mV。虽然不一定需要，但可以利用防护、屏蔽、高绝缘电阻支柱以及其他此类标准皮安方法来最大限度地减少所选缓冲器高阻抗输入端的泄漏。

模数转换器

低功耗ADC适合这种应用。16位∑-Δ型ADC AD7792支持精密测量应用。它有一个低噪声3通道输入，当更新速率为4.17 Hz时，噪声仅有40 nV rms。该器件采用2.7 V至5.25 V电源供电，典型功耗为400μA，采用16引脚TSSOP封装。其他特性包括4 ppm/°C温漂（典型值）的内置带隙基准电压源、最大1 μA的关断功耗以及内置时钟振动器，因此所需器件数量和PCB空间得以减少。

选择RF收发器

基于前述要求，ADuCRF101最适合这种应用。

ADuCRF101是一款针对低功耗无线应用而设计的完全集成式数据采集解决方案，工作频率范围为431 MHz至464 MHz和862 MHz至928 MHz。它集成了通信外设，例如应用所需的两条SPI总线。片内提供128 kB非易失性Flash/EE存储器和16 kB SRAM。它是集成微控制器和收发器的单芯片解决方案，这使得器件数量和电路板尺寸减至最小。

ADuCRF101直接采用2.2 V至3.3 V电压范围的电池供电，功耗如下：

· 280 nA（关断模式，非保留状态）
· 1.9 µA（关断模式，处理器存储器和RF收发器存储器保留）
· 210 µA/MHz（Cortex-M3处理器处于激活模式）
· 12.8 mA（RF收发器处于接收