CN0396 帶溫度補償功能的雙通道電化學氣體傳感器

CN0396 電化學傳感器工作電流極小，非常適合便攜式電池供電的儀器。如果要求更低功耗，ADA4505-2 放大器的最大輸入偏置 電流為2 pA，每放大器功耗僅10 μA。但是，ADA4505-2的噪聲大于 ADA4528-2. 精密基準電壓源 ADR291 功耗僅12 μA，要求更低功耗時可代替 ADR3412。 對于嵌入式應用， ADI 公司系列微控制器（比如 ADuCM360 ）內置片內24位Σ-Δ ADC和基準電壓源。這樣可 以減少器件數(shù)量并降低系統(tǒng)功耗。 針對3電極電化學有毒氣體檢測設計，請參閱電路筆記 CN-0357. 圖1所示電路采用EVAL-CN0396-ARDZ電路評估板和EVALADICUP360開發(fā)板。此外 ， EVAL-CN0396-ARDZ 采用 Arduino擴展板尺寸，故而可利用引腳兼容開發(fā)板進行評估和原型開發(fā)。 利用CN-0396演示軟件（參見CN-0396用戶指南），EVALADICUP360板可配置EVAL-CN0396-ARDZ評估板并從其中讀出數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)可利用串行端口終端程序顯示在PC上。 設備要求 需要以下設備： 帶USB端口和 Windows? 7 （32位）或更高版本的PC EVAL-CN0396-ARDZ電路評估板 EVAL-ADICUP360開發(fā)板 USB-A轉USB微型電纜 7 V to 12 V power supply CN-0396演示軟件（參見CN-0396用戶指南） 串行終端軟件（PuTTY、Tera Term或類似軟件） 4電極電化學氣體傳感器（CO和H2S傳感器隨評估板提供） 環(huán)境腔 校準氣體 精密電流源（代替實際傳感器和氣體） 開始使用 關 于 EVAL-CN0396-ARDZ 的詳細使用指南 ， 請訪問 www.analog.com/CN0396-UserGuide。 關于硬件和軟件操作的所有方面，都可以參閱本用戶指南。 關于EVAL-ADICUP360平臺板的詳細使用指南，也請訪問www.analog.com/cn/EVAL-ADICUP360。 將EVAL-ADICUP360板上的跳線設置到CN-0396用戶指南指出的位置。 利用Eclipse IDE和DEBUG USB連接將CN-0396演示代碼下載到EVAL-ADICUP360板。 通過提供的插口將氣體傳感器安裝到EVAL-CN0396-ARDZ上。利用對接接頭將EVAL-CN0396-ARDZ板連接到EVALADICUP360。 將EVAL-ADICUP360的USER USB端口連接到PC。在PC上啟動首選串行終端軟件并連接到EVAL-ADICUP360串行端口，開始讀取數(shù)據(jù)。 也可以使用其他處理器來測試和評估EVAL-CN0396-ARDZ板，但可能沒有提供所需的軟件和驅動。 功能框圖 圖4顯示測試設置的功能框圖。評估板的完整原理圖包含在CN-0396設計支持包中，其中包括布局、Gerber文件和物料清單。 圖4. 測試設置功能框圖 電源配置正確連接EVAL-ADICUP360平臺板之后，EVAL-CN0396-ARDZ評估板就會從EVAL-ADICUP360板獲得必需的電壓來為電路供電。 Test 要測量氣體濃度，應將系統(tǒng)放在待測環(huán)境中。必須將ADC提供的數(shù)據(jù)轉換為電壓值。ADC輸入電壓與變阻器電阻值和傳感器靈敏度一起用來計算氣體濃度。 電路性能測試可以無需氣體腔，只需利用精密電流源來模擬傳感器輸出電流，如圖5所示。進行測試時必須插入傳感器，以使電路阻抗和電壓電平正確。 圖5. 模擬傳感器響應的替代測試方法 圖6顯示EVAL-CN0396-ARDZ板的實物照片。 圖6. EVAL-CN0396-ARDZ板照片 圖2顯示電化學傳感器測量電路的原理示意圖。 圖2. 簡化恒電位電化學傳感器電路 電化學傳感器的工作原理是允許氣體通過薄膜擴散到傳感器內，并與工作電極 (WE) 相互作用。傳感器參考電極 (RE) 向放大器U2-A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 傳感器內發(fā)生的反應是氧化還是還原。一氧化碳傳感器發(fā)生的是氧化；因此，電流會流入工作電極，這要求反電極 相對于工作電極處于負電壓（通常為300 mV至400 mV）。驅動CE引腳的運算放大器相對于VREF必須具有±1 V的輸出 電壓范圍，以便為不同類型的傳感器提供充足裕量（Alphasense應用筆記AAN-105-03，設計恒電位電路）。 4電極電化學氣體傳感器有兩個工作電極（圖1中顯示為WE1和WE2）。每個WE響應一種特定氣體。本例使用 Alphasense COH-A2傳感器。一個工作電極響應CO，另一個響應H2S。傳感器采用特殊化學過濾器來防止一種氣體影 響另一個電極。兩個工作電極共用RE和CE電極。 對于每ppm氣體濃度的CO，流入WE引腳的電流小于100nA；對于每ppm氣體濃度的H2S，流入WE引腳的電流小于 1000 nA。因此，將此電流轉換為輸出電壓需要具有極低輸入偏置電流的跨阻放大器。 ADA4528-1/ADA4528-2 運算放大器在室溫下具有最大輸入偏置電流為220 pA的CMOS輸入，因此很適合這種應用。ADA4528-1/ADA4528-2是自穩(wěn)零型放大器，室溫下的最大失調電壓為2.5 μV，具有業(yè)界領先的5.6 μV/√Hz電壓噪聲密度性能。 ADR3412 基準電壓源為電路建立1.2 V偽地基準電壓，因此支持單電源供電，同時消耗的靜態(tài)電流極低（最大值為100 μA）。ADR3412的精度為0.1%，溫漂為8 ppm/°C。 放大器A2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引腳連接到放大器A2的反相 輸入，因此其中無電流流動。這意味著電流從WE引腳流出，隨氣體濃度呈現(xiàn)線性變化。 跨阻放大器A1-A和A1-B將傳感器電流轉換為與氣體濃度成正比的電壓。 此電路選擇的傳感器是Alphasense COH-A2一氧化碳 (CO)和硫化氫 (H2S) 傳感器。表1顯示了與此類傳感器相關的典型規(guī)格。 此電路及兼容傳感器可測量有毒氣體。測試此電路時應極其小心。操作一氧化碳和硫化氫等氣體時，應注意暴露限值并采取安全防范措施。 表1. 典型一氧化碳傳感器規(guī)格 參數(shù) 值 一氧化碳 靈敏度 50 nA/ppm 至 100 nA/ppm 響應時間 (t90 ， 0 ppm 至 400 ppm CO) <35 秒 范圍 （ppm CO，保證性能） 0 ppm 至 1000 ppm 超量程限制（不保證規(guī)格） 2000 ppm 硫化氫 靈敏度 600 nA/ppm 至 1000 響應時間 (t90 ， 0 ppm?至 20 ppm H2S) <30 秒 范圍 （ppm，H2S，保證性能） 0 ppm 至 200 ppm 超量程限制（不保證規(guī)格） 400 ppm 跨阻放大器的輸出電壓為： 其中： IWE 為流入WE引腳的電流。 RAW 為跨阻反饋電阻（圖1中顯示為 AD5270-20 U2和U3數(shù)字 變阻器）。 用于探測CO氣體的COH-A2傳感器的最大響應是100 nA/ppm，其最大輸入范圍為1000 ppm。對于H2S氣體，其最大響應 為1000 nA/ppm，最大輸入范圍為200 ppm。根據(jù)這些數(shù)值可知，對于CO和H2S電極，最大輸出電流分別為100 μA和 200 μA。跨阻放大器反饋電阻決定模數(shù)轉換器 (ADC) 的最大輸入電壓。 等式2顯示了CO電極TIA輸出電壓的計算。 將1.2 V電壓施加于VREF AD7798可使跨阻放大器A1-A和A1-B的輸出端具有±1.2 V的可用范圍。為CO通道選擇標稱12 kΩ反饋電阻，為H2S通道選擇標稱6 kΩ反饋電阻，可為這兩類傳感器提供大約2.4 V的最大輸出電壓。電阻的確切值由已知濃度的氣體的單點校準決定。 AD5270-20數(shù)字變阻器用于提供兩個通道中的反饋電阻，最大阻值為20 kΩ。由于有1024個電阻位置，因此電阻階躍為 19.5 ?。AD5270-20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，對系統(tǒng)總功耗的影響極小。 溫度補償 ADT7310 是一款16位數(shù)字串行外設接口 (SPI) 溫度傳感器，其精度為±0.5°C。在本電路中，它用于監(jiān)視環(huán)境溫度。溫度數(shù)據(jù)可用來校正溫度變化對氣體傳感器性能的影響。建議將該溫度傳感器靠近氣體傳感器放置。 氣體傳感器靈敏度（表示為nA/ppm）相對于室溫的變化通 常 在 0.1%/°C 到 0.3%/°C 范圍（ Alphasense 應用筆記 AAN- 110，環(huán)境變化：溫度、壓力、濕度）。 ADT7310測量環(huán)境溫度，并把結果通過SPI接口發(fā)送到微處理器，然后由軟件利用查找表或公式執(zhí)行校正。 務必咨詢制造商，獲得系統(tǒng)所用特定傳感器的溫度校正數(shù)據(jù)。 噪聲性能 傳感器WE引腳的輸出阻抗是相對較大電容和電阻的并聯(lián)組合。電容引起放大器噪聲增益隨頻率提高而增大，從而提 高輸出噪聲。R3和R10電阻與傳感器輸出阻抗串聯(lián)，使TIA的噪聲增益 (NG) 保持在合理水平。選擇此電阻的最優(yōu)值 時，應權衡高濃度氣體下的響應時間（R3、R4越低且噪聲增益越高，響應時間越快）與噪聲性能（R3、R4越高且噪 聲增益越低，噪聲越低）。對于等式3和等式4所示的例子，R4 = 33 Ω，CO通道的噪聲增益為365，H2S通道的噪聲增益為183，忽略WE引腳的輸出阻抗： 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。對于本電路，只需關注低頻噪聲，因為傳感器工作頻率極低。ADA4528-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為97 nV p-p。 12.4 kΩ電阻R7和R11各在0.1 Hz至10 Hz帶寬上貢獻大約294 nV p-p噪聲。 因此，總輸入噪聲為97 nV p-p和294 nV p-p的rss值，即309 nV p-p。 由噪聲增益反射到輸出端后，得到365 × 309 nV = 113 μV p-p（CO通道）和183 × 309 nV = 57 μV p-p（H2S通道）。 由于此噪聲是低頻1/f噪聲，所以很難濾除。然而，傳感器響應也很慢，因此可以使用截止頻率為0.16 Hz、時間常數(shù) 為2.2秒的極低頻率低通濾波器 (100 kΩ/10 μF)。即使是如此大的時間常數(shù)，與大約30秒的傳感器響應時間相比，濾波 器對傳感器響應時間的影響也可忽略。 0.16 Hz濾波器將CO和H2S輸出噪聲從113 μV p-p和57 μV p-p分別降至大約14.3 μV p-p和7.2 μV p-p。 在0.16 Hz濾波器輸出端測量的系統(tǒng)中各通道的理論無噪聲碼分辨率可計算如下： 這些計算假定傳感器本身無噪聲貢獻。實際上，等效CO傳感器rms噪聲額定值小于0.5 ppm（滿量程為1000 ppm），H2S 傳感器額定值小于0.05 ppm（滿量程為200 ppm）。 包含傳感器的最終系統(tǒng)測試是在CO通道上進行，峰峰值噪 聲測量值約為4 LSB，對于216?1= 32,768的滿量程，可得到： 電化學傳感器的一個重要特性是極長的時間常數(shù)。首次上電時，輸出建立最終值可能需要幾分鐘。當暴露于目標氣 體中，濃度階躍為量程的一半時，傳感器輸出達到最終值的90%所需的時間可在25秒至40秒之間。如果RE與WE引腳 間的電壓產生劇烈幅度變化，傳感器輸出電流建立最終值可能需要幾分鐘。這個較長的時間常數(shù)也同樣適用于傳感 器周期供電的情況。為避免啟動時間過長，當電源電壓降至JFET的柵極-源極閾值電壓（約2.0 V）以下時，Q1和Q2 P溝道JFET將RE引腳與WE引腳短接。 功耗 電路由 ADP7102-3.3 LDO提供的3.3 V電源供電。LDO輸出電流測得為4.5 mA。系統(tǒng)配置如表2所示。ADC、數(shù)字變阻器、溫度傳感器置于關斷模式且禁用放大器電源時，系統(tǒng)最大功耗僅有17 μA。 表2. 器件工作配置 器件 配置 AD7798 使能緩沖器 增益 = 1 連續(xù)轉換模式 4.17 Hz 更新速率 AD5270-20 正常模式 電阻性能禁用 ADT7310 1 SPS 模式 16位 系統(tǒng)氣體濃度測量 利用CN-0396電路對一個經校準的氣體腔進行測量。圖3顯示了實測濃度與腔濃度的關系。對于CO傳感器，傳感器制 造商建議在400 ppm濃度進行單點校準。數(shù)據(jù)顯示，由于傳感器固有誤差和氣體腔校準精度的影響，滿量程增益誤差約為80 ppm。 圖3. CO實測濃度與腔濃度的關系 EVAL-CN0396-ARDZ板的完整原理圖、物料清單和布局文 件位于 CN-0396Design Support 中。 CN0396 CN0396：帶溫度補償功能的雙通道電化學氣體傳感器 帶溫度補償功能的雙通道電化學氣體傳感器 圖1所示電路是一種便攜式氣體探測器，它采用4電極電化學傳感器，可同時探測兩種不同的氣體。該恒電位電路利 用最佳器件組合來提供單電源、低功耗、低噪聲性能，并且具有很強的編程能力，支持各類傳感器來探測不同類型的氣體。 圖1. 雙通道氣體傳感器原理示意圖（未顯示去耦和所有連接） 對于探測或測量多種有毒氣體濃度的儀器，電化學傳感器能夠提供多項優(yōu)勢。大多數(shù)傳感器都是針對特定氣體而設計，可用分辨率小于氣體濃度的百萬分之一 (ppm)。 本例使用Alphasense COH-A2傳感器，其可檢測一氧化碳(CO)和硫化氫 (H2S)。 EVAL-CN0396-ARDZ 印刷電路板 (PCB) 采用Arduino兼容擴展板尺寸設計，并與Arduino兼容平臺板 EVAL-ADICUP360 對接，便于快速開發(fā)原型。 CN0396 電路是一種便攜式氣體探測器，它采用4電極電化 學傳感器，可同時探測兩種不同的氣體。

• 雙通道電化學氣體傳感器
• 溫度補償
• 16位數(shù)字化

(analog)