深度解析ADuCM355+LTC6078 電化學測量系統(tǒng)

今天這個東西呢，也是ADI的U的二次封裝的產(chǎn)品，但是做了一些有趣的設計，所以來分析，以及我也要設計類似的東西。

Emstat pico ADuCM355電化學模組詳細解讀這篇是去年的分析文章。

為了使電化學傳感器工作，需要搭建的電路系統(tǒng)被稱為恒電位電路。以三端式電化學氣體傳感器為例，如圖所示。需要搭建的電路包括偏置電壓源、電位保持、電流轉電壓、濾波、模數(shù)轉換等，再送入MCU中進行數(shù)據(jù)處理。

ADC電路之前的信號為TIA電路轉換的電壓信號，與氣體的濃度值成比例變化，根據(jù)傳感器的氧化或還原反應，TIA電路轉換的電壓可能正向變化，也可能反向變化。

整體電路的元器件包含了精密運放、精密電阻、高性能ADC等，每個部位的電路設計都有其理論支撐，對工程師的模擬信號電路知識儲備要求高。

最基本和常用的測量原理是基于恒電勢器。如圖所示，恒電勢器測量和控制工作電極（WE）和參考電極（RE）之間的電壓。通過調節(jié)流過計數(shù)器或輔助電極的電流，工作電極的電勢相對于參考電極保持恒定。

最簡單的電流測量方法是對傳感器施加偏置電壓并測量響應電流。其中，在RE和WE之間施加一個恒定電壓，然后使用電流-電壓轉換器和模數(shù)轉換器（ADC）將電流剖面轉換為數(shù)字信號。

大多數(shù)用于所述測量的傳感器可以通過ADuCM355輸入直接操作。例如，用于恒電勢器測量，如血糖測量。

與此相對，實現(xiàn)更準確的測量（例如電導率和pH值）需要用到擴展信號鏈，所以也需要采用外部芯片，例如LTC6078。

這個也是后面模塊的一個選型，以及溫度傳感器也是后面選型的一個關鍵。

這個運放它增加了輸入阻抗，以適應傳感器的高輸出阻抗，從而獲得準確的讀數(shù)。

除了前面描述的測量以外，還需要測量溫度，以補償傳感器的波動。擴展測量原理如上圖所示。

借助較大的信號鏈，ADuCM355可以讀取電壓和電流值。在所示的電路中，可以檢測到范圍小于100?至10M?的阻抗。較大的測量范圍可以覆蓋醫(yī)療領域所需的整個阻抗圖譜。

而且是話說回來，集成器件也做不小：

展示一個我手工焊接的測量器件

這個是集成器件設計的開發(fā)板

接下來看他們做的這個模塊:

模塊為2*2cm尺寸的郵票孔模塊形式、通過串口交互數(shù)據(jù)，易于集成和使用。

模塊采用3.3V供電，常規(guī)工作電流為5mA，在低功耗或休眠情況下消耗電流僅為幾uA

對于電化學又時候要長時間測量，這個低功耗是確實有用的。

郵票孔設計是宜于表面貼裝

對于接口，就控制串口和燒錄SWD

這個上面也有更詳細的介紹，而且看這個表面，外圍的原件很少

這里看，功能接口，阻抗測量+PH+電導率+模擬電壓+EIS

因為這個功能有助于后面分析集成的芯片的作用。

MCUM355的板上包含1只ADUCM355芯片、1只LTC6078高阻運放、1只SHT31型號的溫濕度傳感器、以及一些必要的外圍被動器件。

這個圖是我們分析的重點，而且上面都寫了一些重要的符號，讓我這個練習快一年的工程師分析一下。

這么多的接口怎么看？數(shù)據(jù)手冊是我們最終的歸宿~

AIN5，6+Vzero6

然后看這個，沒有看到AIN5，是0，不是1

在這里

這次看懂了，就是拓展了ADC的信號鏈

這里第一組測量

第二組

引出了三個ADC，AIN2是單獨輸出的

校準

在這里

好，加了個小傳感器

SHT31是一款精密溫濕度傳感器，在氣體探測場景中，溫濕度可以作為環(huán)境指標擴充和結果校正依據(jù)。

也就是說，這個是精密的參考電阻

此外，板上還設置了若干精密電阻，用于ADUCM355的內部模擬電路校正，以及作為水質測量過程的參照電阻。

這個是常規(guī)的接口

也就是這里

還有一種常用的氣體傳感器為PID或MOS原理，它輸出的是單端電壓信號，此時只需將該傳感器輸出引腳接入MCUM355模塊的AIN端。

套件采用了2只電化學氣體傳感器和1只PID傳感器，測量氧氣、CO、TVOC三種氣體濃度指標，是單個MCUM355模塊能夠支持的最多氣體傳感器數(shù)量。

接下來的內容是重要的，也是需要甄別的內容：

搭建水質檢測應用時，主要是基于單模塊實現(xiàn)水溫、pH值、ORP值、電導率4種參數(shù)的測量。

傳感器連接方案如圖所示，水溫傳感器連接電化學1通道，水溫傳感器的原理是熱電阻，這種方式利用的是其恒電位電路間接測量電阻值的原理。

pH電極連接的是模塊上專用的通道，主要是由于其高阻輸出的特性，同時pH電極也能夠反映被測液體的ORP值。（氧化還原反應電位）

電導率探頭通常與電導率儀一起使用，是一種用于測量溶液電導率的設備。溶液的電導率表明其導電能力，并且與溶液中離子濃度直接相關。

對于電導率電極，其陽極端連接模塊的電化學0通道，陰極端可連接電化學0通道或專用高阻通道，這取決于被測液體的阻抗范圍：

如果是低阻液體（導電性強），則可連接電化學0通道的WE0引腳

如果是高阻液體（導電性弱），則需要如圖所示連接高阻接口。

這就是高阻接口

低阻液體（導電性強）：

陽極端：連接到模塊的電化學0通道。

陰極端：連接到電化學0通道的WE0引腳（工作電極）。

這種情況下，由于液體的導電性強，電流容易通過，因此可以使用標準的電化學通道來進行測量。低阻液體通常意味著較高的離子濃度，例如鹽水或酸堿溶液等。

高阻液體（導電性弱）：

陽極端：仍然連接到模塊的電化學0通道。

陰極端：連接到專用的高阻通道。

在高阻液體中，由于離子濃度低，導電性較弱，電流更難通過，這可能導致測量不穩(wěn)定或準確度下降。

因此，采用專用的高阻通道可以提高測量的準確性和穩(wěn)定性。高阻通道通常具有更高的輸入阻抗和專門的電路設計，以優(yōu)化對低電流的測量。也就是我接下來要說的。

也就是小電流的測量，高阻而且微弱電流，然后呢？是不是需要TIA呀！

我化學學的最不好了，現(xiàn)在出來當人了。。。

其中陽極通常指電流流入電池或電解池的端點，而陰極則是電流流出的端點。

陽極（Anode）：

作用：在直流電場中，陽極是電流進入電解液的地方。在電導率測量中，陽極通常是連接到電流源的電極，負責向液體中輸入電流。

電化學反應：在電解過程中，陽極通常發(fā)生氧化反應，即電子的釋放。

陰極（Cathode）：

作用：陰極是電流從電解液流出的地方。在電導率測量中，它通常接收從陽極通過液體傳輸過來的電流。

電化學反應：在電解過程中，陰極通常發(fā)生還原反應，即電子的獲取。

在電導率探頭中，這兩個電極共同工作來完成電導率測量。通過電極施加一個小的交流電（以避免極化），電流會通過液體從陽極流向陰極。電導率探頭測量這個電流的強度或相應的電壓變化，以確定溶液的電導率。

OK，這里要說的是電路的精華部分，如果說錯了，請馬上來和我確認。

LTC6078 是ADI公司的一款高阻雙路運放，其中一路作為pH電極的接口電路，電壓信號直接送入ADUCM355內的ADC功能通道，另一路則作為電導率電極的接口電路，將微弱電流轉換為電壓，再送入ADC通道。

后面這個不就是TIA嗎？

pH電極接口電路：

這個通道的運放通常配置為緩沖放大器，因為pH電極的輸出電壓變化范圍相對較小，但輸出阻抗很高。

LTC6078因其高輸入阻抗和低偏移特性，非常適合這種應用，它可以準確地讀取微弱的pH電極電壓信號，并將其穩(wěn)定地送到ADUCM355的ADC功能通道進行數(shù)字化。

電導率電極接口電路：

電導率測量通常涉及到測量通過溶液的微弱電流，因此需要將這微弱的電流轉換為電壓信號，以便測量。

在這個通道中，LTC6078可能被配置為跨導放大器（Transimpedance Amplifier，TIA），用于將電流信號轉換為電壓信號。TIA配置利用運放的高輸入阻抗和低噪聲特性，能夠提供穩(wěn)定、準確的電流到電壓轉換，適合于測量微弱的電導率電流。

模擬輸入輸出

16位400k SPS ADC

電壓、電流和阻抗測量能力

內部/外部電流和電壓通道

超低漏電開關矩陣及輸入多路復用器

輸入緩沖器、可編程增益放大器

電壓DAC

2個雙輸出電壓DAC

輸出范圍：對于 12 位輸出，0.2 V 至 2.4 V （±2.2 V 傳感器電位差）

2個偏置恒電勢器及TIA放大器
超低耗電: 每DAC 1μA

高速12位VDAC: 1個

傳感器輸出范圍：±607 mV

用于阻抗測量的快速TIA

輸出用可編程增益放大器

放大器、加速器和參考

低耗電、低噪音放大器 2個

適用于電化學傳感中的恒電勢器偏壓

低耗電、低噪音TIA 2個

適用于測量傳感器電流輸出
±0.00005 μA ~ ±3000 μA

可編程負載和增益電阻

模擬硬件加速器

DDS波形發(fā)生器

DFT和數(shù)字濾波器

2.5 V和1.82V片上高精度參考電壓
±2°C的精確內部溫度傳感器
<1Ω10MΩ、0.016Hz至200kHz的阻抗測量范圍
伏安法掃描速率可達每秒 2000 步

微控制器

26 MHz ARM Cortex-M3處理器

支持通過串行線端口下載和調試代碼

128 kB 閃存/64kB的SRAM

安全性和安全

AES-128和AES-256的硬件加密

可編程多項式發(fā)生器的硬件CRC

用戶閃存的讀寫保護

片上外圍設備

UART、I2C和SPI串行輸入/輸出

最多17個GPIO引腳

外部關閉選項

通用、啟動和監(jiān)視定時器

電源

2.8 V 至 3.6 V 電源和主動測量范圍

電源監(jiān)視器

工作功耗：數(shù)字部分為 30μA/MHz

外部傳感器休眠偏置：8.5 μA

封裝和溫度范圍

6 mm × 5 mm、72pin LGA封裝

額定工作溫度范圍：?40°C 至+85°C

LGA的封裝是手焊不了的

最大偏移電壓：25μV（25℃）

最大偏移漂移：0.7μV/℃

最大輸入偏置電流：

1pA（25℃）

50pA（85℃ 以下）

微功率:54μA/放大器

CMRR：95dB（最?。?/p>

PSRR：100dB（最小)

輸入噪音電壓：16nV/√Hz

軌對軌輸入輸出

2.7V～5.5V的工作電壓

8引腳MSOP和10引腳DFN封裝

氣體檢測

水質檢測

本來文章到這里就結束了，但是我發(fā)現(xiàn)真正有趣的事情才開始。

首先這個驍龍科技也不是自己設計的，就是改了一下ADI的設計demo，哼。

參考的是這個設計

同時AD5940，AD5941，這兩個是去掉MCU的FAE處理器。

甚至這兩個我都沒有看出來有什么區(qū)別

事實上還有很多的測量設計

例如上面這個：是一款完全隔離的低功耗pH傳感器信號調理器和數(shù)字化儀，具有自動溫度補償功能，可實現(xiàn)高精度。該電路可為 0 至 14 的 pH 值提供 0.5% 的準確讀數(shù)，無噪聲代碼分辨率大于 14 位，適用于各種工業(yè)應用，如化學、食品加工、水和廢水分析。該電路支持各種pH傳感器，這些傳感器具有非常高的內阻，范圍為1 MΩ至數(shù)GΩ，數(shù)字信號和電源隔離可對惡劣工業(yè)環(huán)境中經(jīng)常遇到的噪聲和瞬態(tài)電壓進行抗擾度。

以上這些應用，都是可以直接在ADI的這個板子上面來測試的

這個基于ARM -M3的MCU，主打是低功耗

這個就是我上面說的AD5941

參考設計在此

再把視角調整回去

我標的地方，是不是不知道為什么設置的這幾個電阻。

額，原來是參考設計的電阻

我真的哭死，AIN5，AIN6，Vzero0，它就是都不帶換的

pH的測量圖，就是做緩沖作用的

為高阻抗傳感器提供精密緩沖。其精密性能和低偏置電流（輸入偏置電流最大值為1 pA）是此設計的關鍵因素，其中pH探針的阻抗可能有數(shù)千兆歐(GΩ)

電導率這里是，TIA測量，直接上了10M的電阻還加了補償電容

前面的測量端，可以到電極系統(tǒng)，也可以到ADC系統(tǒng)。

看最大的電流是多少

設計原理圖

這個是AD5940的高阻測量，可以對比的看

校準電阻

生病了，不想工作了。。。PCB在最近會制作，如果有需要的請來洽談。電化學這塊還是很多應用的。

審核編輯：黃飛