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連接/參考器件 ADA4505-2 微功耗、軌到軌I/O、雙通道運(yùn)算放大器 ADR291 微功耗、2.5 V基準(zhǔn)電壓源 ADP2503 2.5 MHz、降壓/升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器 AD7798 16位低功耗∑-Δ型ADC 評(píng)估和設(shè)計(jì)支持 電路評(píng)估板 CN-0234電路評(píng)估板(EVAL-CN234-SDPZ) 系統(tǒng)演示平臺(tái)(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所示電路是使用電化學(xué)傳感器的單電源、低功耗、電池供電、便攜式氣體探測(cè)器。本示例中使用AlphasenseCO-AX一氧化碳傳感器。 對(duì)于檢測(cè)或測(cè)量多種有毒氣體濃度的儀器，電化學(xué)傳感器能夠提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)傳感器都是針對(duì)特定氣體而設(shè)計(jì)，可用分辨率小于氣體濃度的百萬分之一(ppm)，所需工作電流極小，非常適合便攜式電池供電的儀器。圖1所示電路使用雙通道微功耗放大器ADA4505-2，該器件在室溫下的最大輸入偏置電流為2 pA，每個(gè)放大器的功耗僅為10 μA。此外，ADR291精密、低噪聲、微功耗基準(zhǔn)電壓源的功耗僅為12 μA，可建立2.5 V共模偽地基準(zhǔn)電壓。 圖1. 低功耗氣體探測(cè)器電路 ADP2503高效率、降壓/升壓調(diào)節(jié)器支持兩節(jié)AAA電池的單電源供電，在節(jié)能模式下的功耗僅為38 μA。 圖1所示電路(不包括AD7798 ADC)的總功耗在正常條件下(未探測(cè)到氣體)約為110 μA，在最差條件下(探測(cè)到2000 ppmCO)約為460 μA。AD7798工作時(shí)的功耗約為180 μA(G = 1，緩沖模式)，節(jié)能模式下僅為1 μA。 由于電路功耗極低，兩節(jié)AAA電池便可提供合適的電源。當(dāng)連接到ADC和微控制器或者內(nèi)置ADC的微控制器時(shí)，電池壽命可從6個(gè)月以上到一年以上不等。 電路描述 圖2顯示電化學(xué)傳感器測(cè)量電路的原理示意圖。電化學(xué)傳感器的工作原理是允許氣體通過薄膜擴(kuò)散到傳感器內(nèi)，并與工作電極(WE)相互作用。傳感器參考電極(RE)提供反饋，以便通過改變反電極(CE)上的電壓保持WE引腳的恒定電位。WE引腳上的電流方向取決于發(fā)生的反應(yīng)是氧化還是還原。在一氧化碳情況下發(fā)生的是氧化；因此，電流會(huì)流入工作電極，這要求反電極相對(duì)于工作電極處于負(fù)電壓(通常為300 mV至400 mV)。驅(qū)動(dòng)CE引腳的運(yùn)算放大器相對(duì)于VREF應(yīng)具有±1 V的輸出電壓范圍，以便為不同類型的傳感器(Alphasense應(yīng)用筆記AAN-105-03，設(shè)計(jì)恒電位電路，Alphasense公司)提供充足裕量。 圖2. 簡(jiǎn)化電化學(xué)傳感器電路 流入WE引腳的電流對(duì)于每ppm氣體濃度低于100 nA；因此將此電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓需要具有極低輸入偏置電流的跨阻放大器。ADA4505-2運(yùn)算放大器在室溫下具有最大輸入偏置電流為2 pA的CMOS輸入，因此很適合這種應(yīng)用。 2.5 V ADR291為電路建立偽地基準(zhǔn)電壓，因此支持單電源供電同時(shí)消耗極低的靜態(tài)電流。 放大器U2-A從CE引腳吸取足夠的電流，以便在傳感器的WE和RE引腳間保持0 V電位。RE引腳連接到U2-A的反相輸入；因此其中無電流流動(dòng)。這意味著電流從WE引腳流出，隨氣體濃度呈現(xiàn)線性變化�？缱璺糯笃鱑2-B將傳感器電流轉(zhuǎn)換為與氣體濃度成正比的電壓。 此電路筆記選擇的傳感器是Alphasense CO-AX一氧化碳傳感器。表1顯示與此常見類型的一氧化碳傳感器相關(guān)的典型規(guī)格。 警告：一氧化碳是有毒氣體，一旦濃度高于250 ppm便有危險(xiǎn)；測(cè)試本電路時(shí)應(yīng)格外小心。 跨阻放大器的輸出電壓為： 其中IWE是流入WE引腳的電流，RF是跨阻反饋電阻(圖1中顯示為R8)。 CO-AX傳感器的最大響應(yīng)是100 nA/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm的一氧化碳。因此，最大輸出電流為200 μA，最大輸出電壓由跨阻電阻決定，如公式2所示。 使用5 V電源為電路供電可在跨阻放大器U2-B的輸出端產(chǎn)生2.5 V的可用范圍。為跨阻反饋電阻選擇11.5 kΩ電阻可提供4.8 V的最大輸出電壓，從而提供大約8%的超量程能力。 傳感器使用65 nA/ppm的典型響應(yīng)時(shí)，公式3顯示與一氧化碳的ppm有函數(shù)關(guān)系的電路輸出電壓。 電阻R4將噪聲增益保持在合理水平。選擇此電阻的值需權(quán)衡兩個(gè)因素決定：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時(shí)傳感器的建立時(shí)間誤差。對(duì)于本例，R4 = 33 Ω，由此可計(jì)算噪聲增益等于349，如公式4所示。 跨阻放大器的輸入噪聲在輸出端表現(xiàn)為由噪聲增益放大。對(duì)于本電路，我們僅關(guān)注低頻噪聲，因?yàn)閭鞲衅鞴ぷ黝l率極低。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μVp-p；因此，輸出端噪聲為1.03 mV p-p，如公式5所示。 由于這是極低頻1/f噪聲，所以很難濾除。然而，傳感器響應(yīng)也極低；因此可以利用這一點(diǎn)，使用截止頻率為0.16 Hz的極低頻率低通濾波器(R5和C6)。即使是這樣的低頻濾波器，與30秒的傳感器響應(yīng)時(shí)間相比，它對(duì)傳感器響應(yīng)時(shí)間的影響也可忽略。 電化學(xué)傳感器的一個(gè)重要特性是極長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)。首次上電時(shí)，輸出建立最終值可能需要幾分鐘。當(dāng)暴露于目標(biāo)氣體濃度的中量程階躍時(shí)，傳感器輸出達(dá)到最終值的90%所需的時(shí)間可在25秒至40秒之間。如果RE與WE引腳間的電壓產(chǎn)生劇烈幅度變化，傳感器輸出電流建立最終值可能需要幾分鐘。這也同樣適用于傳感器周期供電的情況。為避免啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，當(dāng)電源電壓降至JFET的柵極-源極閾值電壓(約2.5 V)以下時(shí)，P溝道JFET Q1將RE引腳與WE引腳短接。 兩節(jié)AAA電池或2.3 V至5.5 V電源為此電路供電。Q2提供反向電壓保護(hù)，ADP2503將輸入電源調(diào)節(jié)至傳感器供電所需的5 V電壓。 常見變化 如果使用可編程變阻器(如AD5271)，而不是固定跨阻電阻(R8)，本電路就可以用于不同的氣體傳感器，而無需改變物料清單。AD5271提供20 k Ω、50 k Ω或100 k Ω的標(biāo)稱電阻值。由于有256個(gè)跳變位置，因此100 k Ω選項(xiàng)的階躍為390.6 Ω。AD5271的電阻溫度系數(shù)為5 ppm/°C，優(yōu)于大多數(shù)分立電阻；其電源電流為1 μA，對(duì)系統(tǒng)功耗的影響極小。 雖然兩節(jié)AAA電池就能為圖1所示電路供電數(shù)月之久，一些應(yīng)用可能需要使用外部電源運(yùn)行。實(shí)施雙電源配置的最有效方式是使用內(nèi)置開關(guān)且具有機(jī)械斷開特性的電源插座，在將外部電源插頭插入插座時(shí)可自動(dòng)移除電池電源。 本文所述電路具有極低的功耗。使用兩個(gè)ADA4528-1運(yùn)算放大器代替ADA4505-2可大幅降低噪聲，提高精度，但功耗也會(huì)增加。ADA4528-1具有實(shí)際為零的失調(diào)漂移和業(yè)界領(lǐng)先的低輸入電壓噪聲。 同樣，ADR3425可取代ADR291，從而獲得極低溫漂；但代價(jià)是功耗增加。 最后，圖1所示電路適用于與12位ADC接口，例如大多數(shù)混合信號(hào)微控制器中的內(nèi)置轉(zhuǎn)換器。 對(duì)于必須測(cè)量氣體濃度ppm比例的應(yīng)用，使用ADA4528-1和ADR3425使得電路性能適合與16位ADC接口，例如AD7798或AD7171。 電路評(píng)估與測(cè)試 本電路使用EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板和EVAL-SDPCB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。此外，連接兩個(gè)電路板需要EVAL-CN0234-SDPZ附帶的小適配板。EVALCN0234-SDPZ包括AD7798 16位∑-Δ型ADC，用于對(duì)電路的輸出電壓進(jìn)行數(shù)字化處理。 CN-0234評(píng)估軟件與SDP板通信，以從EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板捕捉數(shù)據(jù)。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： ● 帶USB端口的Windows XP、Windows Vista(32位)或Windows 7(32位)PC ● EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板和適配板 ● EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板 ● CN0234評(píng)估軟件 ● 兩節(jié)AAA電池 ● 校準(zhǔn)氣體(建議使用低于250 ppm的CO) 開始使用 將CN0234評(píng)估軟件光盤放入PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開我的電腦，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評(píng)估軟件。 功能框圖 圖3顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖。EVAL-CN0234-SDPZ-SCHPDF文件提供了完整電路原理圖。此文件位于CN0234設(shè)計(jì)支持包中。 圖3. 測(cè)試設(shè)置功能框圖 設(shè)置 將EVAL-CN0234-SDPZ上的10引腳連接器連接到適配板，將適配板的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板上的CON A連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔將適配板牢牢固定至SDP板。將電化學(xué)傳感器連接到EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板上的插口。 將電源開關(guān)滑動(dòng)到關(guān)閉位置，將兩節(jié)AAA電池插入電池座。將SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口和SDP板。SDP板從PC的USB端口取電。 測(cè)試 將EVAL-CN0234-SDPZ電路板上的電源開關(guān)移動(dòng)到打開位置，啟動(dòng)評(píng)估軟件。如果“Device Manager(設(shè)備管理器)”中出現(xiàn)“Analog Devices System Development Platform(ADI系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái))”驅(qū)動(dòng)器，軟件便能與SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發(fā)送、接收、采集來自EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板的串行數(shù)據(jù)。 CN0234評(píng)估軟件readme文件包含有關(guān)如何使用評(píng)估軟件采集數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。SDP用戶指南包含有關(guān)SDP板的信息。 該電路板的輸入信號(hào)是氣體濃度；因此需要校準(zhǔn)氣體源。使用一氧化碳進(jìn)行測(cè)試時(shí)，最大短時(shí)間接觸限值為250 ppm。 要執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，首先請(qǐng)確認(rèn)不存在一氧化碳。要開始采集數(shù)據(jù)，請(qǐng)單擊“Start Acquisition(開始采集)”。從“Calibrate(校準(zhǔn))”菜單選擇“Set Zero(設(shè)置0)”。如果滿意ADC讀數(shù)，請(qǐng)單擊“OK(確定)”，當(dāng)前ADC讀數(shù)會(huì)被存儲(chǔ)為0點(diǎn)。應(yīng)用校準(zhǔn)氣體，當(dāng)傳感器輸出完全建立后，從“Calibrate(校準(zhǔn))”菜單中選擇“Set Span(設(shè)置范圍)”。輸入所用校準(zhǔn)氣體的濃度，單擊“OK(確定)”。如此會(huì)存儲(chǔ)系統(tǒng)范圍。 要應(yīng)用系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，請(qǐng)選中前面板上的“Display CalibratedData(顯示校準(zhǔn)數(shù)據(jù))”復(fù)選框。 如果未選中“Display Calibrated Data(顯示校準(zhǔn)數(shù)據(jù))”復(fù)選框，程序采用默認(rèn)比例值運(yùn)行，即假定標(biāo)稱傳感器響應(yīng)為65 nA/ppm，無失調(diào)誤差。 要將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存到文件，請(qǐng)從“File(文件)”菜單中選擇“Save Calibration Constants to File(將校準(zhǔn)常數(shù)保存到文件)”。同樣，選擇“Load Calibration Constants from File(從文件加載校準(zhǔn)常數(shù))”可使用先前保存的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。 圖4顯示電路對(duì)50 ppm一氧化碳階躍的響應(yīng)。傳感器響應(yīng)縮短了初始上升時(shí)間，而長(zhǎng)尾現(xiàn)象與測(cè)試室成函數(shù)關(guān)系。 圖4. 對(duì)0 ppm至50 ppm一氧化碳階躍的響應(yīng) 圖5顯示從50 ppm CO環(huán)境迅速移除傳感器后的電路響應(yīng)，它可以更好地衡量電路性能。 圖5. 對(duì)50 ppm至0 ppm一氧化碳階躍的響應(yīng) |
