完全隔離式電導率測量數據采集系統(tǒng)

　　連接/參考器件

　　AD5934

　　250 kSPS、12位阻抗轉換器網絡分析儀

　　AD8606

　　精密、低噪聲、軌到軌輸入/輸出、CMOS、運算放大器(雙通道)

　　ADG715

　　CMOS、低電壓、I2C控制、八通道單刀單擲開關

　　ADuM1250

　　雙通道I2C數字隔離器

　　ADuM5000

　　2.5 kV、隔離式DC/DC轉換器

　　評估和設計支持

　　電路評估板

　　CN-0349電路評估板(EVAL-CN0349-PMDZ)

　　SDP-I-PMOD轉接板(SDP-PMD-IB1Z)

　　系統(tǒng)演示平臺，SDP-B (EVAL-SDP-CB1Z)

　　設計和集成文件

　　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據采集解決方案，用于測量被測物的電導，包括溫度校正。此電路非常適合測量液體的離子含量，以及進行水質分析和化學分析。

　　該設計針對高精度和低成本優(yōu)化，僅使用5個有源器件。校準后，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)空間的應用。該電路的數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 用于電導率測量的完全隔離式數據采集系統(tǒng)

　　電路描述

　　圖1中顯示的電路集成了AD5934 12位阻抗轉換器、ADG715八通道單刀單擲(SPST)開關、AD8606軌到軌運算放大器、ADuM1250雙通道I2C隔離器以及ADuM5000隔離式DC-DC轉換器，形成用于電導率測量的完整數據采集系統(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場可編程門陣列(FPGA)。

　　AD5934是一款高精度的阻抗轉換器系統(tǒng)解決方案，片上集成一個可編程直接數字頻率合成器(DDS)和一個12位、250 kSPS模數轉換器(ADC)。可調頻率發(fā)生器產生已知頻率來激勵外部復阻抗。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。片上數字信號處理器(DSP)引擎計算離散傅里葉變換(DFT)。DFT算法在每個輸出頻率返回一個實部(R)數據字和一個虛部(I)數據字。

　　選擇AD8606運算放大器的原因是該器件具有低失調電壓(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是一款互補金屬氧化物半導體(CMOS)、8通道單刀單擲開關，通過雙線串行接口控制，該接口可兼容I2C接口標準。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，因而成為諸多應用的理想之選。

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

　　ADuM1250是一款支持熱插拔的數字隔離器，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，采用8引腳SOIC封裝。

　　電導率理論

　　材料或液體的電阻率ρ定義為：當立方體形狀的材料反面完全導電接觸時，該材料的電阻。其他形狀材料的電阻可按以下方式計算：

　　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.當接觸1 cm×1 cm×1 cm立方體的反面時，1Ωcm材料的電阻為1Ω。

　　電導是電阻的倒數，電導率是電阻率的倒數。

　　所有水溶液都在一定程度上導電。溶液導電能力的測量指標稱為電導，它是電阻的倒數。電導的測量單位為西門子(縮寫為“S”)。向純水中添加電解質，例如鹽、酸或堿，可以提高電導并降低電阻。電阻率表示為Ωcm，電導率表示為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，電導率僅表示為S、mS或μS.

　　電導率系統(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。分析儀電路對傳感器施加交流電壓，并測量產生的電流大小，電流與電導率相關。由于電導率具有很大溫度系數(最高達到4%/°C)，因此電路中集成了必需的溫度傳感器，用于將讀數調整為標準溫度，通常為25°C (77°F)。對溶液進行測量時，必須考慮水本身的電導率的溫度系數。為了精確地補償溫度，必須使用第二個溫度傳感器和補償網絡。

　　電導率傳感器

　　接觸型傳感器通常包括相互絕緣的兩個電極。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，以提供已知的電導池常數。從理論上說，1.0/cm的電導池常數表示兩個電極，每個電極面積為1平方厘米，間距為1厘米。對于特定的工作范圍，電導池常數必須與分析儀相匹配。例如，如果在電導率為1μS/cm的純水中使用電導池常數為1.0/cm的傳感器，則電導池的電阻為1 MΩ。相反，相同電導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電導池常數情況下精確測量此類極端情況。

　　對1μS/cm溶液進行測量時，電導池配置了很大的電極，相距很小的間距。例如，對于電導池常數為0.01/cm的電導池，結果是電導池電阻大約為10，000Ω，可以非常精確地測量。因此，對于超純水和高電導率海水，使用具有不同電導池常數的電導池，測量儀表可在相同的電導池電阻范圍內工作。

　　溫度補償

　　電導率測量系統(tǒng)精度只有經過溫度補償才能達到最佳。由于常見溶液溫度系數在1%/°C至3%/°C或更高值之間變化，因此必須使用帶有可調溫度補償的測量儀器。溶液溫度系數在某種程度上是非線性的，通常還隨著實際電導率變化。因此，在實際測量溫度下進行校準可以達到最佳精度。

　　圖1顯示的電路可實現精確的電導率測量，從較低的μS到幾百mS的范圍，它還優(yōu)化了AD5934在很大導納范圍內的整體精度。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，以實現快速原型開發(fā)(Digilent Pmod規(guī)格)。

　　該電路主要由四個模塊組成。第一個模塊是阻抗到數字轉換器，包含：AD5934(U3)阻抗轉換器;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換器配置U2B.

　　第二個模塊是可編程電阻反饋(R6、R8、R9)和校準電路(R3、R4、R7)以及8通道單刀單擲開關ADG715 (U1)。它通過I2C串行接口控制ADG715，以實現測量范圍和校準程序。

　　第三個模塊是ADuM1250 (U5)熱插拔數字隔離器，用于將串行數據從AD5934 (U3)傳輸到IMOD CON (J2)。第四個模塊是ADuM5000 (U4)，它是隔離式DC-DC轉換器，具有3.3 V的輸出電壓，為電路提供電源。

　　但是，第三個模塊和第四個模塊是可選的，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，否則這兩個模塊不是必需的。

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

　　利用一個穩(wěn)定的低抖動FXO-HC536R-1 (U6)石英晶體振蕩器，將施加于MCLK引腳的時鐘頻率設置為1 MHz.此隔離器讓AD5934能夠激勵頻率為2 kHz的電導池，非常適合電導率測量。

　　電路設計

　　圖2顯示了電路中使用的電導率和溫度測量的優(yōu)化信號鏈。AD5934具有四個可編程輸出電壓范圍。每個范圍都有對應的輸出阻抗。例如，1.98 V p-p輸出電壓的輸出阻抗一般為200Ω(參見AD5934數據手冊)。輸出阻抗會影響阻抗測量精度，在低ohm范圍內尤為突出。在信號鏈內的簡易緩沖器可防止輸出阻抗影響未知的阻抗測量。應選擇低輸出阻抗放大器，保證足夠的帶寬來適應AD5934的激勵頻率。針對AD8605 /AD8606 /AD8608系列的CMOS運算放大器，能夠實現的低輸出阻抗示例如圖2所示。在增益為1時，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 電導率和溫度測量的優(yōu)化信號鏈

　　AD5934中的四個可編程輸出電壓范圍具有四個關聯的偏置電壓(參見AD5934數據手冊)。例如，1.98 V p-p激勵電壓需要1.48 V的偏置。但是，AD5934的電流電壓(I-V)接收級設置為固定偏壓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，并可導致電導率測量不準確。一種解決方案是添加一個在低Hz范圍內具有轉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轉換級易受放大器的偏置電流、失調電壓和共模抑制比(CMRR)影響。通過選擇適當的外部分立放大器(U2B)來執(zhí)行I-V轉換，可以提高精度。選擇AD8606的原因是該器件具有低失調電壓(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。該內部放大器隨后可配置成一個簡單的反相增益級。如AN-1252應用筆記中所述，RFB仍根據系統(tǒng)的整體增益來選擇。I-V轉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(電導率范圍)相對于校準電阻RCAL的大小幅度(參見電路筆記CN-0217和應用筆記AN-1252)。選擇接近未知阻抗的RCAL可實現更精確的測量，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增益系數計算期間可通過校準消除開關的導通電阻(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。