CN0357 使用電化學傳感器的低噪聲、單電源有毒氣體探測器，集成可編程增益TIA，可用于快速原型制作

CN0357 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。如要求更低功耗，則 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。 ADR291 精密基準電壓源功耗僅12 μA，要求更低功耗時可代替 ADR3412。 更多信息，請參考電路筆記 CN-0234。 圖1中的電路采用 EVAL-CN0357-PMDZ 路評估板、EVAL-SDP-CB1Z 轉(zhuǎn)接板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP-B)控制器板。此外，EVAL-CN0357-PMDZ采用Pmod尺寸，因此能連接任意Pmod控制器板，從而實現(xiàn)快速原型制作。 CN-0357 評估軟件 與SDP板通信，以便從EVAL-CN0357-PMDZ電路評估板捕捉數(shù)據(jù)。 設備要求 評估CN-0357電路需要下列設備： 帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista(32位)或Windows 7(32位)PC EVAL-CN0357-PMDZ 評估板 PMD-SDP-IB1Z 轉(zhuǎn)接板 EVAL-SDP-CB1Z 控制器板 CN-0357 評估軟件 校準氣體(低于250 ppm) EVAL-CFTL-6V-PWRZ 或同等6 VDC電源 開始使用 將CN-0357評估軟件光盤放進PC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。打開“My Computer(我的電腦)”，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，運行setup.exe文件，按照屏幕說明安裝和使用評估軟件。 功能框圖 圖3顯示測試設置的功能框圖。 CN-0357 設計支持包內(nèi)含有 完整的評估板原理圖，包括gerber文件以及物料清單。 圖3.測試設置功能框圖? ? 設置 將電化學傳感器連接到EVAL-CN0357-PMDZ電路評估板上的插口。 將EVAL-CN0357-PMDZ與轉(zhuǎn)接板相連，并確保轉(zhuǎn)接板上的跳線配置為+3.3 V。然后，將SDP-B板連接到轉(zhuǎn)接板，并通過直流管式插孔為轉(zhuǎn)接板上電。 將SDP-B板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口和SDP-B板。 如果“Device Manager(設備管理器)”中出現(xiàn)“Analog Devices System Development Platform(ADI系統(tǒng)開發(fā)平臺)”驅(qū)動器，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-CN0357-PMDZ電路評估板的串行數(shù)據(jù)。 測試 瀏覽至CN-0357評估軟件的安裝目錄，然后打開CN0357.exe文件。(文件應當位于操作系統(tǒng)開始菜單中名為Analog Devices的文件夾中) 應用程序啟動后，軟件將自動連接SDP-B板。如果連接了多個SDP-B控制器板，則所選電路板上的發(fā)光二級管(LED)將閃爍。 CN-0357 評估軟件用戶指南包含有關(guān)如何使用評估軟件采集數(shù)據(jù)的詳細信息。 該電路板的輸入信號是氣體濃度；因此需要校準氣體源。使用一氧化碳進行測試時，最大短時間接觸限值為250 ppm。 該軟件設計用于任意電化學傳感器，因此輸入所選傳感器的正確規(guī)格很重要。 計算并設置AD5270-20數(shù)字變阻器的電阻時，需要用到最大傳感器靈敏度和傳感器范圍。該值是一個帶符號值。正值表示傳感器吸取電流，負值表示傳感器提供電流。 典型傳感器靈敏度用來計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位為ppm/mV。 點擊“Run(運行)”按鈕即可開始收集濃度數(shù)據(jù)，間隔為1秒。 圖4顯示從175 ppm CO環(huán)境迅速移除傳感器后的電路響應，它可以更好地衡量電路性能。 EVAL-CN0357-PMDZ 板照片如圖5所示。 圖4.對175 ppm至0 ppm一氧化碳階躍的響應? ? 圖5. EVAL-CN0357-PMDZ評估板 圖2顯示電化學傳感器測量電路的原理示意圖。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(nèi)，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(nèi)發(fā)生的反應是氧化還是還原。對于一氧化碳傳感器而言，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(qū)動CE引腳的運算放大器相對于VREF應具有±1 V的輸出電壓范圍，以便為不同類型的傳感器(Alphasense應用筆記AAN-105-03，設計恒電位電路，Alphasense公司)提供充足裕量。 圖2.簡化電化學傳感器電路? ? 流入WE引腳的電流對于每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。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。 ADR3412 為電路建立偽地基準電壓，因此支持單電源供電同時消耗極低的靜態(tài)電流(最大值為100 μA)。 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引腳連接到放大器U2-A的反相輸入；因此其中無電流流動。這意味著從WE引腳來的電流，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；測試本電路時應格外小心。 表1.典型一氧化碳傳感器規(guī)格 參數(shù) 數(shù)值 靈敏度 55 nA/ppm 至 100 nA/ppm (典型值為65 nA/ppm) 響應時間(t90，0 ppm至400 ppm CO <30 秒 范圍(ppm CO，保證性能) 0 ppm 至 2,000 ppm 超量程限制(不保證規(guī)格) 4,000 ppm 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AD5270-20U3-B變阻器)。 CO-AX傳感器的最大響應是100 nA/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm的一氧化碳。根據(jù)這些數(shù)值可知，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。 將1.2 V電壓施加到 AD7790 的VREF可讓跨阻放大器U2-B的輸出端具有±1.2 V可用電壓。為跨阻反饋電阻選擇6.0 kΩ電阻可提供2.4 V的最大輸出電壓。 公式3顯示使用65 nA/ppm的傳感器典型響應時，與一氧化碳的ppm呈函數(shù)關(guān)系的電路輸出電壓。 AD5270-20標稱電阻值為20 kΩ。由于有1024個電阻位置，因此電阻階躍為19.5 Ω。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。 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)衡兩個因素決定：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時傳感器的建立時間誤差。對于公式4中的示例而言，R4 = 33 Ω，由此可計算噪聲增益等于183。 ADA4528-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為97 μV p-p；因此，輸出端噪聲為18 μV p-p，如公式5所示?？缱璺糯笃鞯妮斎朐肼曉谳敵龆吮憩F(xiàn)為由噪聲增益放大。對于本電路，只需關(guān)注低頻噪聲，因為傳感器工作頻率極低。 由于這是極低頻1/f噪聲，所以很難濾除。然而，傳感器響應也極低；因此可以使用截止頻率為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秒的傳感器響應時間相比，它對傳感器響應時間的影響也可忽略。 系統(tǒng)無噪聲碼由峰峰值輸出噪聲確定。ADA4528-2的最大輸出電壓為2.4 V，因此無噪聲數(shù)為： 無噪聲碼分辨率等于： 為了利用全部ADC范圍(±1.2 V)，選擇 AD8500微功耗、軌到軌輸入/輸出放大器來驅(qū)動 AD7790的輸入。如果不需要用到整個范圍，那么可以移除AD8500，代之以AD7790內(nèi)部緩沖器。 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(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，P溝道JFETQ1將RE引腳與WE引腳短接。 CN0357 CN0357 使用電化學傳感器的低噪聲、單電源有毒氣體探測器，集成可編程增益TIA，可用于快速原型制作 圖1所示電路是使用電化學傳感器的單電源、低噪聲、便攜式氣體探測器。本示例中使用Alphasense CO-AX一氧化碳傳感器。 對于檢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(1 ppm)。 圖1中的電路采用 ADA4528-2，它是一款雙通道自穩(wěn)零型放大器，室溫下的最大失調(diào)電壓為2.5 μV，具有業(yè)界領(lǐng)先的5.6 μV/√Hz電壓噪聲密度性能。此外，采用 AD5270-20 可編程變阻器而非固定跨阻電阻，允許針對不同的氣體傳感器系統(tǒng)進行快速原型制作，無需更改物料清單。 ADR3412 精密、低噪聲、微功耗基準電壓源能以0.1%精度和8 ppm/°C漂移建立1.2 V共模、偽地基準電壓。 對于必須測量氣體濃度ppm比例的應用，使用ADA4528-2和ADR3412使得電路性能適合與16位ADC接口，例如 AD7790。 圖1.低噪聲氣體探測器電路(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦) CN0357 CN0357

• 完整的電化學傳感器
• 低功耗
• 單電源

(analog)