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

          作者: 時(shí)間:2015-07-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            連接/參考器件

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/277028.htm

            AD5934

            250 kSPS、12位阻抗轉(zhuǎn)換器

            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

            評估和設(shè)計(jì)支持

            電路評估板

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

            SDP-I-PMOD轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z)

            系統(tǒng)演示平臺,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

            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,用于測量被測物的電導(dǎo),包括溫度校正。此電路非常適合測量液體的離子含量,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)路干擾問題,非常適合在惡劣工業(yè)環(huán)境下使用。

            

           

            圖1 用于測量的完全隔離式數(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,形成用于測量的完整數(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通道單刀單擲開關(guān),通過雙線串行接口控制,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芯片級變壓器技術(shù),采用8引腳SOIC封裝。

            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)電能力的測量指標(biāo)稱為電導(dǎo),它是電阻的倒數(shù)。電導(dǎo)的測量單位為西門子(縮寫為“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,測量單位為S/cm、mS/cm或μS/cm.但在很多情況下,為了方便起見,我們會省略距離項(xiàng),電導(dǎo)率僅表示為S、mS或μS.

            電導(dǎo)率系統(tǒng)通過連接到沉浸在溶液中傳感器的電子元件來測量電導(dǎo)。分析儀電路對傳感器施加交流電壓,并測量產(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)。對溶液進(jìn)行測量時(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,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)情況下精確測量此類極端情況。

            對1μS/cm溶液進(jìn)行測量時(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,可以非常精確地測量。因此,對于超純水和高電導(dǎo)率海水,使用具有不同電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)池,測量儀表可在相同的電導(dǎo)池電阻范圍內(nèi)工作。

            溫度補(bǔ)償

            電導(dǎo)率測量系統(tǒng)精度只有經(jīng)過溫度補(bǔ)償才能達(dá)到最佳。由于常見溶液溫度系數(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量儀器。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電阻溫度檢測器(RTD)的溫度測量功能。該電路可以使用8引腳IMOD(I2C接口)連接器來連接到微處理器評估板,以實(shí)現(xiàn)快速原型開發(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通道單刀單擲開關(guān)ADG715 (U1)。它通過I2C串行接口控制ADG715,以實(shí)現(xiàn)測量范圍和校準(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)率和溫度測量的優(yōu)化信號鏈。AD5934具有四個(gè)可編程輸出電壓范圍。每個(gè)范圍都有對應(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AD5934數(shù)據(jù)手冊)。輸出阻抗會影響阻抗測量精度,在低ohm范圍內(nèi)尤為突出。在信號鏈內(nèi)的簡易緩沖器可防止輸出阻抗影響未知的阻抗測量。應(yīng)選擇低輸出阻抗放大器,保證足夠的帶寬來適應(yīng)AD5934的激勵(lì)頻率。針對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)率和溫度測量的優(yōu)化信號鏈

            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AD5934數(shù)據(jù)手冊)。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)接收級設(shè)置為固定偏壓VDD/2.因此,對于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.此電位差會引起測試溶液YX極化,并可導(dǎo)致電導(dǎo)率測量不準(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)折頻率的簡單高通濾波器(參見電路筆記CN-0217)。消除發(fā)射級的直流偏置,并將交流信號重新偏置至VDD/2,在整個(gè)信號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放大級還可能輕微增加信號鏈的誤差。I-V轉(zhuǎn)換級易受放大器的偏置電流、失調(diào)電壓和共模抑制比(CMRR)影響。通過選擇適當(dāng)?shù)耐獠糠至⒎糯笃?U2B)來執(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)簡單的反相增益級。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)相對于校準(zhǔn)電阻RCAL的大小幅度(參見電路筆記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)更精確的測量,即以RCAL為中心的未知阻抗范圍越小,測量精度越高。因此,對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)算期間可通過校準(zhǔn)消除開關(guān)的導(dǎo)通電阻(RON)誤差。使用不同反饋電阻(RFB)值(見圖2)可優(yōu)化ADC所獲得信號動態(tài)范圍。

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