完全隔離式電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　連接/參考器件

　　AD5934

　　250 kSPS、12位阻抗轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)分析儀

　　AD8606

　　精密、低噪聲、軌到軌輸入/輸出、CMOS、運(yùn)算放大器(雙通道)

　　ADG715

　　CMOS、低電壓、I2C控制、八通道單刀單擲開(kāi)關(guān)

　　ADuM1250

　　雙通道I2C數(shù)字隔離器

　　ADuM5000

　　2.5 kV、隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

　　評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

　　電路評(píng)估板

　　CN-0349電路評(píng)估板(EVAL-CN0349-PMDZ)

　　SDP-I-PMOD轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z)

　　系統(tǒng)演示平臺(tái)，SDP-B (EVAL-SDP-CB1Z)

　　設(shè)計(jì)和集成文件

　　原理圖、布局文件、物料清單

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1顯示的電路提供了完整可靠的數(shù)據(jù)采集解決方案，用于測(cè)量被測(cè)物的電導(dǎo)，包括溫度校正。此電路非常適合測(cè)量液體的離子含量，以及進(jìn)行水質(zhì)分析和化學(xué)分析。

　　該設(shè)計(jì)針對(duì)高精度和低成本優(yōu)化，僅使用5個(gè)有源器件。校準(zhǔn)后，該電路總誤差小于1% FSR.所有器件均具有小尺寸，因此該電路非常適合注重印刷電路板(PCB)空間的應(yīng)用。該電路的數(shù)字輸出是完全隔離的;因此，該電路不存在接地環(huán)路干擾問(wèn)題，非常適合在惡劣工業(yè)環(huán)境下使用。

　　圖1 用于電導(dǎo)率測(cè)量的完全隔離式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　電路描述

　　圖1中顯示的電路集成了AD5934 12位阻抗轉(zhuǎn)換器、ADG715八通道單刀單擲(SPST)開(kāi)關(guān)、AD8606軌到軌運(yùn)算放大器、ADuM1250雙通道I2C隔離器以及ADuM5000隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，形成用于電導(dǎo)率測(cè)量的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該電路具有板載8引腳IMOD連接器，可用于連接客戶微處理器或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。

　　AD5934是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案，片上集成一個(gè)可編程直接數(shù)字頻率合成器(DDS)和一個(gè)12位、250 kSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)?？烧{(diào)頻率發(fā)生器產(chǎn)生已知頻率來(lái)激勵(lì)外部復(fù)阻抗。片上DAC監(jiān)控未知阻抗的電壓和電流。AD5933是與1 MSPS ADC類似的器件。片上數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)引擎計(jì)算離散傅里葉變換(DFT)。DFT算法在每個(gè)輸出頻率返回一個(gè)實(shí)部(R)數(shù)據(jù)字和一個(gè)虛部(I)數(shù)據(jù)字。

　　選擇AD8606運(yùn)算放大器的原因是該器件具有低失調(diào)電壓(最大值65μV)、低偏置電流(最大值1 pA)和低噪聲(最大值12 nV/√Hz)等特性。

　　ADG715是一款互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、8通道單刀單擲開(kāi)關(guān)，通過(guò)雙線串行接口控制，該接口可兼容I2C接口標(biāo)準(zhǔn)。該器件的功耗較低，具有2.7 V至5.5 V的低工作電源范圍和低導(dǎo)通電阻(通常為2.5Ω)，采用小型24引腳TSSOP封裝，因而成為諸多應(yīng)用的理想之選。

　　ADuM5000是一款隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有3.3 V或5 V輸出，基于ADI公司的isoPower技術(shù)，采用16引腳SOIC封裝。

　　ADuM1250是一款支持熱插拔的數(shù)字隔離器，提供非閂鎖雙向通信通道，且與I2C接口兼容，基于ADI公司的iCoupler芯片級(jí)變壓器技術(shù)，采用8引腳SOIC封裝。

　　電導(dǎo)率理論

　　材料或液體的電阻率ρ定義為：當(dāng)立方體形狀的材料反面完全導(dǎo)電接觸時(shí)，該材料的電阻。其他形狀材料的電阻可按以下方式計(jì)算：

　　R =ρL/A

　　其中：

　　L是接觸距離。

　　A是接觸面積。

　　電阻率的測(cè)量單位為Ωcm.當(dāng)接觸1 cm×1 cm×1 cm立方體的反面時(shí)，1Ωcm材料的電阻為1Ω。

　　電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。

　　所有水溶液都在一定程度上導(dǎo)電。溶液導(dǎo)電能力的測(cè)量指標(biāo)稱為電導(dǎo)，它是電阻的倒數(shù)。電導(dǎo)的測(cè)量單位為西門子(縮寫(xiě)為“S”)。向純水中添加電解質(zhì)，例如鹽、酸或堿，可以提高電導(dǎo)并降低電阻。電阻率表示為Ωcm，電導(dǎo)率表示為S/cm、mS/cm或μS/cm.

　　在此電路筆記中，我們使用Y作為電導(dǎo)率的通用符號(hào)，測(cè)量單位為S/cm、mS/cm或μS/cm.但在很多情況下，為了方便起見(jiàn)，我們會(huì)省略距離項(xiàng)，電導(dǎo)率僅表示為S、mS或μS.

　　電導(dǎo)率系統(tǒng)通過(guò)連接到沉浸在溶液中傳感器的電子元件來(lái)測(cè)量電導(dǎo)。分析儀電路對(duì)傳感器施加交流電壓，并測(cè)量產(chǎn)生的電流大小，電流與電導(dǎo)率相關(guān)。由于電導(dǎo)率具有很大溫度系數(shù)(最高達(dá)到4%/°C)，因此電路中集成了必需的溫度傳感器，用于將讀數(shù)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)溫度，通常為25°C (77°F)。對(duì)溶液進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須考慮水本身的電導(dǎo)率的溫度系數(shù)。為了精確地補(bǔ)償溫度，必須使用第二個(gè)溫度傳感器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

　　電導(dǎo)率傳感器

　　接觸型傳感器通常包括相互絕緣的兩個(gè)電極。電極通常為316型不銹鋼、鈦鈀合金或石墨，具有特定的大小和間距，以提供已知的電導(dǎo)池常數(shù)。從理論上說(shuō)，1.0/cm的電導(dǎo)池常數(shù)表示兩個(gè)電極，每個(gè)電極面積為1平方厘米，間距為1厘米。對(duì)于特定的工作范圍，電導(dǎo)池常數(shù)必須與分析儀相匹配。例如，如果在電導(dǎo)率為1μS/cm的純水中使用電導(dǎo)池常數(shù)為1.0/cm的傳感器，則電導(dǎo)池的電阻為1 MΩ。相反，相同電導(dǎo)池在海水中的電阻為30Ω，由于電阻比過(guò)大，普通儀器很難在僅有一個(gè)電導(dǎo)池常數(shù)情況下精確測(cè)量此類極端情況。

　　對(duì)1μS/cm溶液進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電導(dǎo)池配置了很大的電極，相距很小的間距。例如，對(duì)于電導(dǎo)池常數(shù)為0.01/cm的電導(dǎo)池，結(jié)果是電導(dǎo)池電阻大約為10，000Ω，可以非常精確地測(cè)量。因此，對(duì)于超純水和高電導(dǎo)率海水，使用具有不同電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)池，測(cè)量?jī)x表可在相同的電導(dǎo)池電阻范圍內(nèi)工作。

　　溫度補(bǔ)償

　　電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)精度只有經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償才能達(dá)到最佳。由于常見(jiàn)溶液溫度系數(shù)在1%/°C至3%/°C或更高值之間變化，因此必須使用帶有可調(diào)溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量?jī)x器。溶液溫度系數(shù)在某種程度上是非線性的，通常還隨著實(shí)際電導(dǎo)率變化。因此，在實(shí)際測(cè)量溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)可以達(dá)到最佳精度。

　　圖1顯示的電路可實(shí)現(xiàn)精確的電導(dǎo)率測(cè)量，從較低的μS到幾百mS的范圍，它還優(yōu)化了AD5934在很大導(dǎo)納范圍內(nèi)的整體精度。此外還集成了使用Pt100電阻溫度檢測(cè)器(RTD)的溫度測(cè)量功能。該電路可以使用8引腳IMOD(I2C接口)連接器來(lái)連接到微處理器評(píng)估板，以實(shí)現(xiàn)快速原型開(kāi)發(fā)(Digilent Pmod規(guī)格)。

　　該電路主要由四個(gè)模塊組成。第一個(gè)模塊是阻抗到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包含：AD5934(U3)阻抗轉(zhuǎn)換器;用于將交流信號(hào)偏置至VDD/2的跟隨器(AD8606的一半，U2A);使用AD8606的另一半的電流電壓轉(zhuǎn)換器配置U2B.

　　第二個(gè)模塊是可編程電阻反饋(R6、R8、R9)和校準(zhǔn)電路(R3、R4、R7)以及8通道單刀單擲開(kāi)關(guān)ADG715 (U1)。它通過(guò)I2C串行接口控制ADG715，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍和校準(zhǔn)程序。

　　第三個(gè)模塊是ADuM1250 (U5)熱插拔數(shù)字隔離器，用于將串行數(shù)據(jù)從AD5934 (U3)傳輸?shù)絀MOD CON (J2)。第四個(gè)模塊是ADuM5000 (U4)，它是隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有3.3 V的輸出電壓，為電路提供電源。

　　但是，第三個(gè)模塊和第四個(gè)模塊是可選的，它們提供電路和微處理器評(píng)估板之間的電流隔離。除非必須隔離，否則這兩個(gè)模塊不是必需的。

　　該電路使用CON1 (J1)連接器連接到帶有內(nèi)置Pt100 RTD溫度傳感器的電導(dǎo)池。

　　利用一個(gè)穩(wěn)定的低抖動(dòng)FXO-HC536R-1 (U6)石英晶體振蕩器，將施加于MCLK引腳的時(shí)鐘頻率設(shè)置為1 MHz.此隔離器讓AD5934能夠激勵(lì)頻率為2 kHz的電導(dǎo)池，非常適合電導(dǎo)率測(cè)量。

　　電路設(shè)計(jì)

　　圖2顯示了電路中使用的電導(dǎo)率和溫度測(cè)量的優(yōu)化信號(hào)鏈。AD5934具有四個(gè)可編程輸出電壓范圍。每個(gè)范圍都有對(duì)應(yīng)的輸出阻抗。例如，1.98 V p-p輸出電壓的輸出阻抗一般為200Ω(參見(jiàn)AD5934數(shù)據(jù)手冊(cè))。輸出阻抗會(huì)影響阻抗測(cè)量精度，在低ohm范圍內(nèi)尤為突出。在信號(hào)鏈內(nèi)的簡(jiǎn)易緩沖器可防止輸出阻抗影響未知的阻抗測(cè)量。應(yīng)選擇低輸出阻抗放大器，保證足夠的帶寬來(lái)適應(yīng)AD5934的激勵(lì)頻率。針對(duì)AD8605 /AD8606 /AD8608系列的CMOS運(yùn)算放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)的低輸出阻抗示例如圖2所示。在增益為1時(shí)，此放大器的輸出阻抗小于1Ω(最高100 kHz)，這是AD5934的最高工作范圍。

　　圖2 電導(dǎo)率和溫度測(cè)量的優(yōu)化信號(hào)鏈

　　AD5934中的四個(gè)可編程輸出電壓范圍具有四個(gè)關(guān)聯(lián)的偏置電壓(參見(jiàn)AD5934數(shù)據(jù)手冊(cè))。例如，1.98 V p-p激勵(lì)電壓需要1.48 V的偏置。但是，AD5934的電流電壓(I-V)接收級(jí)設(shè)置為固定偏壓VDD/2.因此，對(duì)于3.3 V電源，發(fā)射偏壓為1.48 V，而接收偏壓為3.3 V/2 = 1.65 V.此電位差會(huì)引起測(cè)試溶液YX極化，并可導(dǎo)致電導(dǎo)率測(cè)量不準(zhǔn)確。一種解決方案是添加一個(gè)在低Hz范圍內(nèi)具有轉(zhuǎn)折頻率的簡(jiǎn)單高通濾波器(參見(jiàn)電路筆記CN-0217)。消除發(fā)射級(jí)的直流偏置，并將交流信號(hào)重新偏置至VDD/2，在整個(gè)信號(hào)鏈中保持直流電平恒定。R1和R5(10 kΩ)兩者均使用精度0.1%的電阻作為偏置電阻以減少誤差。

　　AD5934的I-V放大級(jí)還可能輕微增加信號(hào)鏈的誤差。I-V轉(zhuǎn)換級(jí)易受放大器的偏置電流、失調(diào)電壓和共模抑制比(CMRR)影響。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)耐獠糠至⒎糯笃?U2B)來(lái)執(zhí)行I-V轉(zhuǎn)換，可以提高精度。選擇AD8606的原因是該器件具有低失調(diào)電壓(最大值65μV)、低偏置電流(最大值1 pA)、高CMRR(通常為95 dB)、低噪聲(最大值12 nV/√Hz)等特性。該內(nèi)部放大器隨后可配置成一個(gè)簡(jiǎn)單的反相增益級(jí)。如AN-1252應(yīng)用筆記中所述，RFB仍根據(jù)系統(tǒng)的整體增益來(lái)選擇。I-V轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出必須精確偏置為VDD/2.R12和R13(10 kΩ)兩者均使用精度0.1%的電阻作為偏置電阻。

　　精度很大程度上取決于未知阻抗范圍(電導(dǎo)率范圍)相對(duì)于校準(zhǔn)電阻RCAL的大小幅度(參見(jiàn)電路筆記CN-0217和應(yīng)用筆記AN-1252)。選擇接近未知阻抗的RCAL可實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量，即以RCAL為中心的未知阻抗范圍越小，測(cè)量精度越高。因此，對(duì)于較大的未知阻抗范圍，可在各種RCAL電阻之間切換，如圖2中所示。在RCAL增益系數(shù)計(jì)算期間可通過(guò)校準(zhǔn)消除開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻(RON)誤差。使用不同反饋電阻(RFB)值(見(jiàn)圖2)可優(yōu)化ADC所獲得信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。