本专利申请还涉及：(1)同日提交的名称为“multiplestring,multipleoutputdigitaltoanalogconverter”(代理人案卷no.3867.404us1；客户案卷no.apd6092)、发明人名称为shuronggu、dennisa.dempsey、guangyangqu、hanqingwang和tonyyincailiu的美国专利申请，其公开内容通过引用整体合并于此，包括其公开的双输出dac；(2)同日提交的名称为“internalintegratedcircuitresistancecalibration”(代理人案卷no.3867.407us1；客户案卷no.apd6100-1-us)、发明人名称为guangyangqu、leichengchen和michaellooney的美国专利申请，其公开内容通过引用整体合并于此，包括其公开的电阻测量或校准；和(3)同日提交的名称为“systemsandmethodsfordeterminingtheconditionofagassensor”(代理人案卷no.3867.405us1；客户案卷no.apd601901us)、发明人名称为michaellooney和guangyangqu的美国专利申请，其公开内容通过引用整体合并于此，包括其公开的阻抗测量系统和方法。
该文件通常但不限于电化学传感器和电路，并且更具体但不限于传感器接口电路，用于确定诸如阻抗的传感器特性。
背景技术
电化学传感器可以用于各种应用，例如用于感测电化学传感器周围环境中一种或多种组分气体(例如氧气、一氧化碳等)的存在。电化学传感器可以包括反电极(ce)、参考电极(re)和感测电极(se)。感测电极也可以被称为工作电极(we)。电化学传感器可以包括一个或多个传感器特性，例如阻抗，其可以提供传感器如何有效地运行的指示，诸如通过比较传感器特性与指定的参考值。这有助于确定是否或何时更换故障的电化学传感器，或确定更换前电化学传感器的预期使用寿命。
技术实现要素：
确定传感器状态特性可涉及传感器的阻抗测试。除此之外，本发明人已经认识到，这样的阻抗测试可以涉及向传感器提供时变ac激励电流信号并且测量响应电压，其可以通过指示电化学传感器的阻抗来提供传感器状态特性。本发明人已经认识到，要解决的一个问题是向电化学传感器提供实质的dc偏压以及向传感器提供精确的高分辨率激励电流信号。例如，如果使用单个数模转换器(dac)来产生用于电化学传感器的dc偏置电压和用于测试传感器阻抗的时变ac激励信号，则时变激励信号的分辨率可能受到限制由dac的可用动态范围决定，因为提供dc偏移偏置电压会占用dac动态范围的很大一部分。因此，本发明人通过提供传感器接口电路架构来解决该问题，该传感器接口电路架构能够向电化学或其他传感器单独地或独立地传递实时dc偏移偏置，以传递时变ac激励信号，然后可以提供更高的分辨率，这又可以允许更好地分辨测量的响应信号，从而提供传感器状态的阻抗特性。更好地指示传感器状况可以帮助避免电化学传感器的过早更换，有助于避免将故障传感器留在原位，或两者兼而有之。可能很重要，例如，电化学传感器在应用中检测和警报危险水平的一氧化碳，以及其他电化学传感器应用。这对于其他阻抗感测应用或其他传感器特性确定应用也是有用的。
本概述旨在提供本专利申请的主题的概述。它并不打算提供对本发明的排他或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的进一步信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。举例来说，附图通常以举例的方式而非限制性地说明本文件中所讨论的各种实施例。
图1示出了向感测气体或气体构成成分的电化学传感器提供传感器状态特性接口电路的第一种方法的示例。
图2示出了向电化学传感器提供传感器特性条件接口电路的第二种方法的示例，其类似于图1中所示的传感器特性条件接口电路，但是其中传感器激励电路可以被传感器激励电路替代，该传感器激励电路可以包括差分稳定偏置电路可以与时变ac激励信号发生器电路分开独立。
图3示出了诸如通过确定传感器特性来确定电化学传感器的可用性的方法的部分的示例。
图4示出传感器接口电路的一部分的例子，其可用于在传感器的正常气体感测操作期间提供恒电位器电路。
具体实施方式
该文件尤其描述了一种传感器状态特性接口电路架构，其能够分别地或独立于传送时变ac激励信号而向电化学或其他传感器递送实质dc偏移偏置，所述时变ac激励信号然后可以提供更高的分辨率，这反过来可以允许更好地分辨测量的响应信号，从而提供传感器状态的阻抗特性。更好地指示传感器状况可以帮助避免电化学传感器的过早更换，有助于避免将故障传感器留在原位，或两者兼而有之。这可能很重要，例如，电化学传感器检测和警报危险水平的一氧化碳的应用，以及其他电化学传感器应用。这对其他阻抗感测应用或其他传感器状态特性测试应用也是有用的。
图1示出了向感测气体或气体构成成分的电化学传感器102提供传感器特性指示接口电路100的第一种方法的示例。电化学传感器102可以包括计数器电极(ce)端子、参考电极(re)端子和感测电极(se)端子。传感器特性接口电路100可以包括传感器状态指示能力，例如用于执行传感器102的阻抗测试。在图1中，电化学传感器102由与各种电极相关联的特性阻抗的电模型表示，其可以包括电阻组件和无功(例如电容)组件，如图所示。每个电极可以被模型化为串联电阻，串联电阻与在公共节点103处电连接的电阻和电容的并联组合串联。
在图1中，传感器特性接口电路100可以包括传感器激励电路104、反馈电路106和响应信号输出电路108。传感器激励电路104可以包括数字波形发生器电路110，例如用于产生用于进一步处理和递送到传感器102的数字激励信号、用于生成偏置信号以用于进一步处理和递送到传感器102、或两者。数字波形发生器110的一个或多个输出可以耦合到数模转换器(dac)电路112的输入，例如12位dac。dac112可以将由数字波形发生器110提供的数字激励信号波形转换为模拟信号，例如可以在dac112的一个或多个输出处提供的差模模拟信号。可以例如通过将dac输出信号提供给有源或无源单极或多极低通滤波器电路114的一个或多个输入来对所得到的模拟信号进行滤波，例如具有截止频率fc＝250khz的单极点低通滤波器。得到的滤波模拟信号可以在滤波器电路114的一个或多个输出处被提供给诸如可编程增益放大器(pga)电路116的放大或衰减电路的一个或多个输入端。在示例中，pga116可以提供衰减(小于1的增益)，从而可以利用dac112的更大的动态范围和分辨率。
在图1中，所得到的经滤波和放大或衰减的模拟信号可以在pga116的一个或多个输出处提供给激励放大器电路122的差分输入端118、120，激励放大器电路122本身可以包括具有一个反相输入和一个非反相输入的差分输入第一放大器电路124。例如，pga输出118可以例如经由第一电阻器(其可以可选地包括r/2r可编程电阻梯形配置)耦合到放大器124的反相输入端，并且pga输出120可以例如经由第二电阻器(其也可以可选地包括r/2r可编程电阻电阻器梯形配置)耦合到放大器124的非反相输入端。放大器124可以用于驱动另一个第二放大器126，其可以在节点d处的激励放大器电路122的输出处向传感器102的电极提供激励信号，例如经由可以被包括作为开关矩阵128的一部分的开关到计数器电极ce，开关矩阵128可以被包括在与传感器接口电路100的其余部分相同的集成电路上。在激励放大器电路122内，可以使用第三放大器电路130，例如以电压跟随器配置向第二放大器126的反相输入端提供偏置电压。
在图1中，反馈电路106可以包括可以例如经由开关矩阵128中的对应开关电耦合到传感器102的电极之一(例如参考电极(re)端子)的第一输入(p)。反馈电路106还可以包括可以例如经由开关矩阵128中的另一个对应开关电耦合到传感器102的电极之一(例如电耦合到感测电极(se)端子)的第二输入(n)，并且可选地经由负载电阻器(rload)。反馈电路106的p和n输入可以分别耦合到对应的第一和第二缓冲放大器电路132、134并由其接收，其中的每一个都可以配置成电压跟随器配置，其中缓冲器放大器电路132、134的非反相输入端电耦合到缓冲放大器电路132、134的相应输出端。缓冲放大器电路132的输出可以例如经由相应的电阻(其可以可选地包括r/2r可编程电阻电阻器梯形配置)电耦合到第一放大器电路124的反相输入。缓冲放大器电路134的输出可以例如经由相应的电阻器(其可以可选地包括r/2r可编程电阻电阻梯形结构)电耦合到第一放大器电路124的非反相输入端。
在图1中，感测电极(se)端子可以连接到响应信号输出电路108，例如通过开关矩阵128中的对应开关连接到互阻抗放大器节点(t)。响应信号输出电路108可以包括跨阻抗放大器136，以将从传感器102的感测电极(se)端子(例如，经由负载电阻器rload或其他)接收的电流转换为在互阻抗放大器136的输出节点处提供的响应电压信号。跨阻放大器136可以在跨阻放大器136的输出和跨阻放大器136的节点t处的反相输入之间的反馈路径中配置有反馈电阻器rtia。如果需要，反馈电容器(cf)可以可选地与反馈电阻器rtia并联放置，以便在互阻抗放大器136的输出端提供响应电压信号的低通滤波。
在图1中，激励放大器电路122可以包括具有其差分输入(非反相输入和反相输入)的差分输入第一放大器124，其分别耦合以从两个差分源接收和求和电流：首先，从pga116各自的输出通过它们相应的电阻器；其次从缓冲放大器电路132、134的相应输出通过它们相应的电阻器。
在阻抗测试操作模式期间，数字波形发生器电路110可以将时变ac信号分量叠加在用于操作传感器102所需的稳定dc偏置信号电压分量上。响应此时变ac信号分量在此阻抗测试操作模式，所产生的时变ac信号电压将作为响应出现在tia放大器136的输出处，由此可以确定传感器102的特征阻抗参数(例如，通过ac响应信号电压分量幅度除以ac激励电流信号分量)。
图1所示方法的一个问题是向电化学传感器102提供实质的dc偏压以及传感器102的精确的高分辨率时变ac激励电流信号。在图1所示的方法中，使用单个dac112产生到电化学传感器102的dc偏置电压和用于测试传感器102的阻抗的时变ac激励信号。因此，时变ac激励信号的分辨率可能受到dac112的可用动态范围的限制。这是因为提供dc偏移偏置电压会占用dac112的动态范围的显着部分。
图2示出了与图1所示类似的将传感器特性接口电路200提供给电化学传感器102的第二种方法的示例，但是其中传感器激励电路104可以由传感器激励电路204代替，204可以包括差分稳定偏置电路206，206可以与时变ac激励信号发生器电路208分离并且独立。差分稳定偏置电路206可以向共享激励放大器电路222提供稳定差分偏置信号分量，该共享激励放大器电路222在某些方面与激励放大器122相似，但是其可以包括可以耦合到差分稳定偏置电路106的附加输入集合。时变ac激励信号发生器电路208可以向共享激励放大器电路222提供时变ac激励信号分量，但是不需要也向共享激励放大器电路222提供差分稳定偏置信号。这可以帮助提高提供给共享激励放大器电路222的时变ac信号分量的分辨率，因为dac112的全动态范围可以用于生成时变ac信号分量，而不需要dac112的动态范围来适应差分稳定偏置信号。共享激励放大器电路222可以包括除耦合到时变ac激励信号发生器电路208的第一组差分输入之外还可以耦合到反馈电路106的第三对差分输入，以及可以耦合到差分稳定偏置信号发生器电路206的第二组差分输入。第三对差分输入可用于分别独立于时变ac激励信号和反馈信号而向放大器电路222提供差分稳定偏置信号。
在图2中，差分稳定偏置信号发生器电路206可以包括第二dac212，该第二dac212可以与时变ac激励信号发生器电路208的dac112分开并独立于其操作，以便分别将差分稳定偏置信号分量提供给共享激励放大器电路222，从而有助于释放dac112的动态范围，以便向共享激励放大器电路222提供更高分辨率的时变ac信号分量。第二dac212不需要具有与dac112相同的分辨率。例如，第二dac212可以具有比dac112更低的分辨率，因为较低的分辨率可能适合于向共享激励放大器电路222提供差分稳定偏置信号分量。作为说明性示例，第二dac212可以具有6位分辨率并接收6位数字输入信号，而第一dac112可以具有12位分辨率并且可以接收12位数字输入信号。然而，如果需要，dac212可以具有与dac112相同的分辨率，或者dac可以具有比dac112更高的分辨率，以适合于特定的应用。在一个示例中，dac112可以包括双输出dac，其在节点vbias以比双输出dac在其第二输出(例如，6位分辨率)处所提供的分辨率更高的分辨率(例如，12位分辨率)在节点vzero处提供第一输出。在一个示例中，双输出dac112可以被实现为例如在下列所描述：同日提交的名称为“multiplestring,multipleoutputdigitaltoanalogconverter”(代理人案卷no.3867.404us1；客户案卷no.apd6092)、发明人名称为shuronggu、dennisa.dempsey、guangyangqu、hanqingwang和tonyyincailiu的美国专利申请，其公开内容通过引用整体合并于此，包括公开的双输出dac。
在图2中，dac212可以在差分输出处提供其稳定的偏置信号分量，其可以通过分别耦合到dac212的这种差分输出的可选的相应分流电容器(例如，0.1微法拉)进一步稳定。来自这些差分dac212的输出可以在缓冲放大器电路214、216的输入处被接收，诸如在相应的缓冲放大器电路214、216的相应的非反相输入处。缓冲放大器电路214、216可以各自配置成电压跟随器配置，其反相输入端子以反馈配置耦合到其输出端子。缓冲放大器电路214的输出可以例如经由具有电阻值r的电阻耦合到共享激励放大器电路222中的放大器124的反相输入。缓冲放大器216的输出可以耦合到放大器124的非反相输入，例如经由具有电阻值r的电阻器。
因此，在图2中，共享激励放大器222可以包括三对差分输入：(1)来自差分时变ac激励信号发生器电路208的第一对差分输入，例如用于接收差分时变ac激励信号分量，例如用于在阻抗测试期间应用于传感器102；(2)来自差分稳定偏置信号发生器206的第二对差分输入，诸如用于接收差分稳定偏置信号分量，例如用于在阻抗测试期间或在正常的气体感测操作期间应用于传感器102；和(3)来自反馈电路106的第三对差分输入，例如用于接收来自传感器102的差分反馈信号，例如在阻抗测试期间或在正常的气体感测操作期间。这三对差分输入中的各个输入可以分别耦合到共享激励放大器222的放大器124的非反相和反相输入，例如通过相应的固定或可变电阻或其他方式。
在图2中，从差分稳定偏置信号分量单独且独立地提供差分时变ac信号分量可以允许提供差分时变ac信号分量的dac112提供更精确的、更高分辨率的差分时变ac信号，因为它的动态范围可以更充分地使用，因为它只需要容纳差分时变ac信号的幅度，而不是叠加在差分稳定偏置信号分量的信号偏移上的那个ac幅度。差分时变ac信号分量的叠加由共享激励放大器电路222执行，这可以使dac112、212中的每一个的动态范围不受提供给dac112、212中的另一个的信号约束。
差分稳定偏置信号分量可以是直流分量，其在一个示例中不随时间变化，或者在差分稳定偏置信号分量是随时间变化的意义上可以是“稳定的”，但是频率小于差分时变ac信号的频率，例如2x、5x、10x、100x，1000x、1,000,000x，小于差分时变ac信号的频率。
尽管图2示出了dac112和dac212完全独立且独立的示例，但是提供这种布置的原因可以是使得它们的两个不同的输入信号可以被独立地提供以允许充分利用每个dac112、212的整个动态范围。本发明人设想并设想，可以共享dac112、212的某些部件，同时仍允许两个数字输入信号中的每一个分别且独立地提供，每个在不对另一个施加任何动态范围限制的情况下，即使某些组件可以在dac112、212之间共享。
图3示出了诸如用于确定电化学传感器的可用性的方法300的部分的示例，诸如通过确定诸如电化学传感器102的与电化学传感器相关联的诸如阻抗的传感器特性。
在302处，可递送差分时变ac激励信号分量到诸如第一和第二放大器输入节点(例如，共享激励放大器电路222的放大器124的非反相和反相输入)，例如用于在传感器阻抗测试期间将激励信号驱动到传感器102中。
在304处，差分稳定偏置信号分量可以被分开(并且同时)传送到诸如到第一和第二放大器输入节点(例如，共享激励放大器电路222的放大器124的非反相和反相输入)，例如用于在传感器阻抗测试期间将激励信号驱动到传感器102中的同时偏置第一和第二放大器输入节点。这可以用于向传感器102提供期望的偏置信号，例如可能需要用于操作传感器102。
在306处，差分反馈信号可以在将激励信号驱动到传感器102中的同时从传感器102(例如，到第一和第二放大器输入节点)传送(例如，在传感器阻抗测试期间同时到302和304)。
在308处，可以在传感器阻抗测试期间(例如使用响应信号输出电路108的跨阻放大器136)将激励信号驱动到传感器102中的同时测量来自传感器的响应。跨阻放大器136的输出处的响应电压可以提供传感器102的阻抗的指示，例如当提供给传感器102的电流(例如，由差分时变ac输入确定的电流是已知的)时。因此，尽管传感器102的阻抗正在被确定，但是这种阻抗可以通过使用欧姆定律测量响应电压到特定振幅ac激励信号电流来确定，该欧姆定律规定阻抗等于响应电压除以指定的传感器电流。
在图3中，在302处，递送时变ac激励信号可以包括将第一数字输入信号转换为第一模拟信号，以在传感器阻抗测试期间提供差分时变ac激励信号分量。在304处，递送差分稳定偏置信号分量可以包括将第二数字输入信号转换成第二模拟信号，以在传感器阻抗测试期间提供差分稳定偏置信号分量。第二模拟信号还可以可选地用于在没有施加差分时变ac信号分量的传感器的操作(例如，气体感测)模式期间(例如传感器阻抗未被测试)提供差分稳定偏置信号分量。
在图3中，在302处，在传感器阻抗测试期间提供差分时变ac激励信号分量可以可选地包括例如使用pga116来衰减第一模拟信号。这可以帮助利用dac112的全部动态范围来提供用于ac激励的高分辨率信号以用于传感器102的阻抗测试。
在图3中，在308处，测量来自传感器102的响应可以可选地包括响应于差分时变ac激励信号分量将来自传感器102的电流转换成电压(例如，在跨阻放大器136的输出处)以提供与传感器102的可用性相关的传感器特性(例如，阻抗)的指示。在说明性示例中，来自传感器102的电流可以可选地通过负载电阻器rload耦合来提供。但是，不需要包括负载电阻器rload。在一个示例中，跨阻放大器136可以可选地与传感器102直接连接，例如省略负载电阻器rload。
在图3中，在302处，可以可选地在传感器阻抗测试期间改变差分时变ac信号分量的频率。这可以包括在两个不同的频率下执行阻抗测试。在一个示例中，阻抗测试信号的两个频率可以高于预期甚至环境条件的快速变化的传感器102的频率响应，例如可以包括被测试气体的浓度变化、传感器102正在被操作的环境温度的变化等，使得可以使用不同频率下的差分阻抗测试来减少或消除这些因素。在一个示例中，执行阻抗测试可以包括提供差分时变ac信号分量的宽频扫描(例如，从0.2hz到200khz)，并且在两个或更多扫描点中测量响应信号。
在图3，在304，提供差分稳定偏置信号分量可以包括温度补偿差分稳定偏置信号分量，如通过提供至少一个与绝对温度成比例(ptat)或绝对温度补偿(ctat)信号以产生差分稳定偏置信号分量.
尽管图2示出了具有三个差分输入(例如，用于接收差分时变ac激励信号分量的第一差分输入对、用于接收差分稳定偏置信号分量的第二差分输入对以及用于接收差分反馈信号分量的第三差分输入对)，还可以包括也可被包括以类似地输入或以其他方式耦合或更多对应的另外的差分信号分量的第四或甚至另外的差分输入。
此外，尽管电化学传感器102被示出为具有三个电极(re、ce、se)，但是第四甚至更多的电极可以被包括在电化学传感器102中。例如，第四诊断电极(de)可以包括在电化学传感器102中，并且图2中所示的节点n和t可替代地或选择性地(例如，可切换地)耦合到诊断电极(de)，例如代替(或作为可切换的替代)耦合到感测电极(se)。。
图4示出传感器接口电路400的部分的例子，例如可以集成在与传感器特性接口电路100或传感器特性接口电路200中的任一个相同的单片集成电路(ic)芯片上。传感器接口电路400可用于在传感器102的正常气体感测操作期间提供恒电位器电路。由于传感器102的正常低频响应气体传感操作几乎可以全时使用，很少被中断，并且然后通常仅短暂地执行较高频率传感器状况特性测试(例如，阻抗测试)以确定传感器状况或可用性，传感器接口电路400可以使用至少一些比传感器特性接口电路100、200中使用的那些更低的功耗部件来实现，尽管可以可选地在传感器接口电路400和选择的传感器特性接口电路100、200之间共享一些组件(例如，双输出dac212)。
在三电极的例子中，工作电极(we)可以响应待检测的目标气体，例如通过氧化或还原气体。这会产生与目标气体浓度成比例的电流。该电流可通过计数器电极(ce)提供给传感器。参考电极(re)可以被恒电位器电路用来维持工作电极处的固定电位，该电位可以保持在与参考电极电位相同的电位(例如，对于无偏压传感器102)或具有偏置电压(例如，用于需要偏置的传感器102)。计数器电极ce用工作电极we完成电路。当工作电极we氧化时，计数器电极ce将执行化学成分的减少。当工作电极we进行还原时，计数器电极ce将执行化学成分的氧化。计数器电极ce的电位可以允许浮动，例如响应于目标的浓度而改变。只要恒电位电路能够提供足够的电压和电流来维持工作电极we处于与参考电极re相同的电位，计数器电极ce上的电位就可以被认为是不重要的。
在图4的示例中，双输出dac212的第一输出可以用于建立提供给工作电极we(也称为感测电极se)的vzero电势。双输出dac212的第二输出可以用于建立放大器402的计数器电极ce和非反相输入端的电位，其可以可切换地配置成电压跟随器配置以驱动计数器电极ce。放大器402将电流提供给计数器电极ce以平衡工作电极we、se所需的电流。放大器402的反相输入可以例如通过一个或多个电阻器(例如图4中所示的两个串联连接的10kω电阻器)耦合到参考电极re。通过工作电极we、se的电流指示目标气体的浓度，并且可以通过低功率互阻抗放大器404(例如通过负载电阻器rload0)将其转换为所得到的输出电压信号。跨阻放大器404的增益可取决于rload0的电阻值和跨阻放大器404的输出与跨阻放大器404的反相输入之间的反馈电阻rtia0的电阻值。跨阻放大器404的非反相输入可以被偏置在期望的偏置电压，诸如由双输出dac212的第二输出提供的vzero上的电压，工作电极we、se在该电压被偏置。电阻值rload0和rtia0可以被指定、补偿或校准，例如，描述于同日提交的名称为“internalintegratedcircuitresistancecalibration”(代理人案卷no.3867.407us1；客户案卷no.apd6100-1-us)、发明人名称为guangyangqu、leichengchen和michaellooney的美国专利申请，其公开内容通过引用整体合并于此，包括其公开的电阻测量或校准。由跨阻放大器404输出的信号电压可以被提供(例如，通过模拟信号多路复用器电路)到模数转换器(adc)电路，用于转换为数字信号。进一步的信号处理可以数字地执行，例如通过数字信号处理器(dsp)电路。
各种注释
以上描述包括对形成详细描述的一部分的附图的引用。作为说明，附图示出了可以实践本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。这样的示例可以包括除了所示出或描述的那些之外的元件。然而，本发明人还考虑了其中仅提供了所示或所述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑了使用所示出或描述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例，或者关于特定示例(或者其一个或多个方面)或关于本文示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。
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