【導(dǎo)讀】圖1所示電路是一個(gè)完全隔離式低功耗pH傳感器信號(hào)調(diào)理器和數(shù)字化儀，并且?guī)в凶詣?dòng)溫度補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)高精度。該電路可為0至14范圍內(nèi)的pH值提供精度為0.5%的讀數(shù)，無噪聲代碼分辨率大于14位，適用于多種工業(yè)應(yīng)用，如化工、食品加工、水處理、污水分析等。
圖1. pH傳感器電路圖(簡(jiǎn)化原理圖： 未顯示所有連接和去耦)
該電路支持眾多內(nèi)部電阻超高(范圍從1 MΩ至數(shù)GΩ)的pH傳感器，其數(shù)字信號(hào)和電源隔離設(shè)計(jì)使其免受惡劣工業(yè)環(huán)境中常見的噪聲和瞬變電壓的影響。
電路描述
pH測(cè)量的基本原理
pH值是衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子相對(duì)量的一項(xiàng)指標(biāo)。就摩爾濃度來說，25°C的水含有1 × 10−7摩爾/升氫離子，氫氧化物離子濃度與此相同。中性溶液指氫離子濃度正好等于氫氧化物離子濃度的溶液。pH值是表示氫離子濃度的另一種方式，定義如下：
因此，如果氫離子濃度為1.0 × 10−2摩爾/升，則pH值為2.00。
pH電極是許多工業(yè)所使用的電化學(xué)傳感器，但對(duì)水處理和污水工業(yè)具有特別重要的意義。pH探針由一個(gè)玻璃測(cè)量電極和一個(gè)參考電極構(gòu)成，類似于一塊電池。當(dāng)把探針置于溶液中時(shí)，測(cè)量電極產(chǎn)生一個(gè)電壓，具體取決于溶液中氫的活性，然后將該電壓與參考電極的電位進(jìn)行比較。隨著溶液酸性的增強(qiáng)(pH值變低)，玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陽性增強(qiáng)(+mV)；隨著溶液堿性的增強(qiáng)(pH值變高)，玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陰性增強(qiáng)(-mV)。這兩個(gè)電極之差即為測(cè)得電位。在理想情況下，典型的pH探針在25°C下會(huì)產(chǎn)生59.154 mV/pH單位，用能斯脫方程表示為：
其中：
E = 氫電極電壓，活性未知
α = ±30 mV，零點(diǎn)容差
T = 環(huán)境溫度(單位：°C)
n = 1(25 °C)，價(jià)(離子上的電荷數(shù))
F = 96485庫侖/摩爾，法拉第常數(shù)
R = 8.314 伏特-庫侖/°K摩爾，阿伏加德羅氏數(shù)
pH = 未知溶液的氫離子濃度
pHISO = 7，參比氫離子濃度
方程表明，產(chǎn)生的電壓取決于溶液的酸度和堿度，并以已知方式隨氫離子活性而變化。溶液溫度的變化會(huì)改變其氫離子的活性。當(dāng)溶液被加熱時(shí)，氫離子運(yùn)動(dòng)速度加快，結(jié)果導(dǎo)致兩個(gè)電極間電位差的增加。另外，當(dāng)溶液冷卻時(shí)，氫活性降低，導(dǎo)致電位差下降。根據(jù)設(shè)計(jì)，在理想情況下，當(dāng)置于pH值為7的緩沖溶液中時(shí)，電極會(huì)產(chǎn)生零伏特電位。
關(guān)于pH理論的一本不錯(cuò)的參考書是《pH理論與實(shí)踐》(出版社：Radiometer Analytical SAS；出版地點(diǎn)：VilleurbanneCedex，法國)。
電路細(xì)節(jié)
該設(shè)計(jì)為帶溫度補(bǔ)償?shù)膒H傳感器提供了一種整體解決方案。有三個(gè)重要的電路級(jí)：pH探針緩沖器、ADC和數(shù)字及電源隔離器，如圖1所示。
AD8603，是一款精密微功耗(最大值50 μA)及低噪聲(22 nV/√Hz)CMOS運(yùn)算放大器，配置為連接AD7793通道之一輸入的緩沖器。AD8603的典型輸入偏置電流為200 fA，為高內(nèi)部電阻pH探針提供了一種有效的解決方案。
pH檢測(cè)和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)基于AD7793，24位(Σ-Δ)ADC。它有三個(gè)差分模擬輸入和一個(gè)片內(nèi)低噪聲、可編程增益放大器(PGA)，其范圍為單位增益至128。AD7793的最大功耗僅為500 μA，適用于任何低功耗應(yīng)用。有一個(gè)低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且也可采用一個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓。輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設(shè)置，可在4.17 Hz至470 Hz的范圍內(nèi)變化。
ADuM5401(四通道數(shù)字隔離器，集成DC-DC轉(zhuǎn)換器)提供微控制器與AD7793數(shù)字線路之間的數(shù)字信號(hào)和電源隔離功能。利用iCoupler芯片級(jí)變壓器技術(shù)，能夠隔離邏輯信號(hào)和DC/DC轉(zhuǎn)換器中的電源反饋路徑。
pH傳感器接口緩沖器
典型的pH探針電極由玻璃制成，可形成極高的電阻，范圍從1 MΩ到1 GΩ不等，充當(dāng)與pH電壓源串聯(lián)的電阻，如圖2所示。
圖2. 連接ADC的pH傳感器和緩沖器接口(簡(jiǎn)化原理圖： 未顯示所有連接、RTD和去耦。)
流過該串聯(lián)電阻的緩沖放大器偏置電流會(huì)給系統(tǒng)帶來失調(diào)誤差。為使電路與該高源電阻隔離開來，在這種應(yīng)用中，需要一個(gè)高輸入阻抗、超低輸入偏置電流的緩沖放大器。AD8603用作該應(yīng)用的緩沖放大器，如圖2所示。AD8603的低輸入電流可以最大限度地減少流過電極電阻的偏置電流所產(chǎn)生的電壓誤差。
就25°C下串聯(lián)電阻為1 GΩ的pH探針來說，對(duì)于200 fA典型輸入偏置電流，失調(diào)誤差為0.2 mV (0.0037 pH)。即使在1 pA的最大輸入偏置電流下，誤差也只有1 mV。
10 kΩ/1 µF低通噪聲濾波器針對(duì)緩沖放大器輸出的截止頻率為f= 1/2πRC，即16 Hz。
必須利用防護(hù)、屏蔽、高絕緣電阻支柱以及其他此類標(biāo)準(zhǔn)皮安方法，以最大限度地減少AD8603緩沖器高阻抗輸入端的泄漏。
ADC通道1配置，pH傳感器
該級(jí)涉及測(cè)量pH電極產(chǎn)生的小電壓。表1展示了一個(gè)典型pH探針的技術(shù)規(guī)格。基于能斯脫方程，來自探針的滿量程電壓范圍為±414 mV (±59.14 mV/pH) (25°C)至±490 mV (±70mV/pH)(80°C)。
表1. 典型pH探針的技術(shù)規(guī)格
在讀取pH探針輸出電壓時(shí)，ADC采用外部1.05 V基準(zhǔn)電壓源，增益配置為1。滿量程輸入范圍為±VREF/G = ±1.05 V，來自pH探針的最大信號(hào)為±490 mV (80°C)。
由于傳感器的輸出是雙極性的，并且AD7793采用單電源供電，因此，pH探針產(chǎn)生的信號(hào)應(yīng)偏置到地以上，以使其處于ADC的可接受共模范圍之內(nèi)。該偏置電壓產(chǎn)生的方式是，將210 µA IOUT2電流注入5 kΩ 0.1%電阻，如圖2所示。結(jié)果產(chǎn)生1.05 V共模偏置電壓，這同時(shí)充當(dāng)ADC基準(zhǔn)電壓。
ADC通道2配置，RTD
ADC的第二通道監(jiān)控在RTD上產(chǎn)生的電壓，該RTD由AD7793的IOUT2電流輸出引腳驅(qū)動(dòng)。210 μA激勵(lì)電流驅(qū)動(dòng)由RTD和精密電阻(5 kΩ, 0.1%)構(gòu)成的串聯(lián)組合。(參見圖1)。
純鉑的溫度系數(shù)為0.003926 Ω/Ω/°C。根據(jù)DIN Std. 43760-1980和IEC 751-1983標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)RTD的正常系數(shù)為0.00385 Ω/Ω/°C。RTD的精度通常以0°C為基準(zhǔn)。DIN 43760標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可兩個(gè)類，如表2所示，ASTM E–1137標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可兩個(gè)級(jí)，如表3所示。
表2. DIN-43760的標(biāo)準(zhǔn)RTD精度
表3. ASTM E-1137的標(biāo)準(zhǔn)RTD精度
RTD電阻值的計(jì)算公式為：
RTD電阻 = RTD0
(1 + T α)
其中：
RTD電阻 = T下的電阻值
RTD0= 0°C下的電阻值
T = 環(huán)境溫度
α = 0.00385 Ω/Ω/°C，DIN Std 43760-1980和IEC 751-1983定義的溫度系數(shù)
RTD電阻在0°C (1000 Ω)至100°C (1385 Ω)范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生的電壓信號(hào)范圍為210 mV至290 mV，激勵(lì)電流為210 µA。
精密5 kΩ電阻產(chǎn)生作為外部基準(zhǔn)電壓源的1.05 V電壓。當(dāng)增益為1時(shí)，模擬輸入范圍為±1.05 V (±VREF/G)。該架構(gòu)形成一種比率式配置。 激勵(lì)電流值的變化不會(huì)影響系統(tǒng)精度。
盡管100 Ω Pt RTD十分常見，也可指定其他電阻(200 Ω、500 Ω、1000 Ω等)和材料(鎳、銅、鎳鐵)。本應(yīng)用使用一個(gè)1 kΩ DIN 43760 A類RTD，用于實(shí)現(xiàn)pH傳感器的溫度補(bǔ)償功能。 1000 Ω RTD對(duì)線路電阻誤差不如100 Ω RTD敏感度。
采用一條2線連接，如圖3所示。在RTD引腳上施加恒定電流，同時(shí)測(cè)量通過RTD本身的電壓。測(cè)量器件是AD7793，該器件表現(xiàn)出高輸入電阻和低輸入偏置電流。該方案的誤差源是引腳電阻、AD7793所產(chǎn)生恒定電流源的穩(wěn)定性以及輸入放大器中的輸入阻抗和/或偏置電流及相應(yīng)的漂移。
圖3. 2線鉑RTD連接(簡(jiǎn)化原理圖：未顯示所有連接和去耦)
消除線路電阻誤差的另一種可能性是3線RTD配置，詳見電流筆記CN-0287。
輸出編碼
任一通道上輸入電壓的輸出代碼為：
其中：
AIN為模擬輸入電壓。
GAIN為儀表放大器設(shè)置。
N = 24
EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)板和PC處理AD7793輸出的數(shù)據(jù)。
數(shù)字和電源隔離
ADuM5401隔離ADC數(shù)字信號(hào)，同時(shí)為電路提供經(jīng)隔離穩(wěn)壓的3.3 V電源。ADuM5401 (VDD1)的輸入應(yīng)在3.0 V和3.6 V之間。要注意ADuM5401的布局，以盡量減少EMI/RFI問題。有關(guān)更多詳情，請(qǐng)參考AN-1109應(yīng)用筆記：iCoupler器件的輻射控制建議。
系統(tǒng)校準(zhǔn)
AD7793的AIN3(+)輸入用于測(cè)量精密5 kΩ 0.1%電阻上的電壓降。為了精確測(cè)量RTD電阻，必須考慮IOUT2電流的±5%變化范圍。在此基礎(chǔ)上，將該電壓除以5 kΩ，從而求得IOUT2確切電流值。RTD電阻則通過用RTD中的電壓除以IOUT2確切電流值來計(jì)算。
利用如圖4所示兩點(diǎn)校準(zhǔn)程序來校準(zhǔn)EVAL-CN0326-PMDZ評(píng)估軟件中的pH計(jì)。
圖4. 評(píng)估軟件校準(zhǔn)設(shè)置窗口
用戶需要至少使用兩種緩沖溶液，其中，用一種值為pH-7的中性pH緩沖溶液來消除pH探針和系統(tǒng)導(dǎo)致的失調(diào)。中性緩沖溶液可以用來設(shè)置第一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。第一種緩沖溶液的pH值取決于需要測(cè)量的溶液的pH值。在測(cè)量堿性基液時(shí)，可以使用pH-10緩沖溶液；在測(cè)量酸性溶液時(shí)，可使用pH-4緩沖溶液。為了提高測(cè)量的精度，可以實(shí)施三點(diǎn)校準(zhǔn)。其方法是在第2步和第3步使用兩組不同的緩沖溶液，如圖4所示，其中，pH-7溶液用來消除失調(diào)。
軟件包括NIST推薦的緩沖溶液清單。清單中描述的每種緩沖溶液都有自己的溫度系數(shù)，范圍在0°C至95°C之間，可以在Radiometer Analytical出版的《pH理論與實(shí)踐》一書中找到。軟件利用該表將來自pH探針的mV輸入關(guān)聯(lián)至與讀取自RTD傳感器的溫度讀數(shù)相對(duì)應(yīng)的正確pH值，并利用線性插值法來填充表中空白。用戶可以選擇通過單擊如圖4
所示綠色按鈕，使能/禁用連續(xù)溫度補(bǔ)償選項(xiàng)。
用于pH傳感器校準(zhǔn)的緩沖溶液在市場(chǎng)中很常見。也可使用NIST認(rèn)證的其他pH參比溶液來校準(zhǔn)。由于市場(chǎng)上有多種緩沖溶液可供選擇，因此，軟件同時(shí)為用戶提供了一個(gè)選項(xiàng)，可以使用所需要的NIST認(rèn)證pH參比溶液進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖4所示。
軟件同時(shí)還為用戶提供了一個(gè)使用其他RTD電阻值的選項(xiàng)，但其默認(rèn)值設(shè)為1000 Ω。
系統(tǒng)噪聲考慮因素
如果輸出數(shù)據(jù)速率為16.7 Hz且增益為1，則AD7793的rms噪聲等于1.96 μV(噪聲折合到輸入端，來自AD7793數(shù)據(jù)手冊(cè))。峰峰值噪聲等于：
6.6 × RMS 噪聲 = 6.6 × 1.96 µV = 12.936 µV
如果pH計(jì)的靈敏度為59 mV/pH，則pH計(jì)能測(cè)量的無噪聲分辨度pH水平為
12.936 μV / (59 mV/pH) = 0.000219 pH
其中只包括AD7793的噪聲貢獻(xiàn)。實(shí)際系統(tǒng)結(jié)果見下一節(jié)。
測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果
全部數(shù)據(jù)捕獲操作都通過CN0326 LabVIEW評(píng)估軟件實(shí)現(xiàn)。用一個(gè)Yokogawa GS200精密電壓源來模擬pH傳感器的輸入。通過以1 mV增量在−420 mV至+420 mV范圍內(nèi)掃描精密電壓，EVAL-CN0326-PMDZ能根據(jù)用戶自定義的校準(zhǔn)選項(xiàng)捕獲數(shù)據(jù)。
AD8603緩沖器和AD7793在實(shí)際系統(tǒng)中的峰峰值噪聲的確定方法是，短接pH探針BNC連接器，并采集1000個(gè)采樣。如圖5中所直方圖所示，代碼分布約為500個(gè)代碼，相當(dāng)于峰峰值噪聲為31.3 µV，等效pH讀數(shù)分布為0.00053 pH峰峰值。
圖5. 輸出代碼分布直方圖(AD7793輸入引腳短接在一起)
測(cè)試系統(tǒng)時(shí)將三個(gè)不同電阻與ADC輸入串聯(lián)，以仿真高阻抗玻璃電極的不同阻抗。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，結(jié)果得到60 mV/pH。據(jù)圖6，線性誤差隨仿真玻璃電極阻抗的增加而增加。圖6同時(shí)顯示，在整個(gè)仿真pH輸出電壓范圍內(nèi)，對(duì)于200 MΩ的pH探針阻抗，線性誤差小于0.5%。
圖6. pH傳感器仿真輸出電壓(及關(guān)聯(lián)線性誤差圖)與ADC輸出pH讀數(shù)的關(guān)系(所示探針電阻為1 MΩ、100 MΩ和200 MΩ)
測(cè)試數(shù)據(jù)以圖7所示評(píng)估板采集。針對(duì)該系統(tǒng)的完整文檔可以在CN-0326設(shè)計(jì)支持包中找到。
圖 7. EVAL-CN0326-PMDZ板的照片
常見變化
其他合適的ADC有AD7792和AD7785，這兩款器件具有與AD7793相同的特性組合， 但AD7792為16位ADC，AD7785為20位ADC。
AD8607緩沖放大器采用8引腳MSOP封裝。這是一款雙通道微功耗軌到軌輸入/輸出放大器，與AD8603屬于同一系列。ADuM5401的其他系列包括多種通道配置，如ADuM5402/ADuM5403 /ADuM5404，同時(shí)提供4個(gè)獨(dú)立隔離通道。
電路評(píng)估與測(cè)試
本電路采用EVAL-CN0326-PMDZ電路板、EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板和SDP-PMD-IB1Z(一款針對(duì)EVAL-SDP-CB1Z的PMOD轉(zhuǎn)接板)。SDP和SDP-PMD-IB1Z板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。為了使用SDP-PMD-IB1Z和SDP評(píng)估EVALCN0326-PMDZ板，通過一個(gè)間距為100密爾、面積為25平方密爾的標(biāo)準(zhǔn)直角引腳-接頭連接器把EVAL-CN0326-PMDZ連接至SDP-PMD-IB1Z。
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-CN0326-PMDZ電路評(píng)估板
• EVAL-SDP-CB1Z電路評(píng)估板
• SDP-PMD-IB1Z SDP轉(zhuǎn)接板
• CN-0326評(píng)估軟件
• 電源： 6 V壁式或同等電源適配器
• Yokogawa 2000精密直流電源或等效電源
開始使用
將CN-0326評(píng)估軟件光盤放進(jìn)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。
設(shè)置
CN0326評(píng)估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows® XP (SP2)和Vista(32位和64位)。如果安裝文件未自動(dòng)運(yùn)行，您可以運(yùn)行光盤中的setup.exe文件。請(qǐng)先安裝評(píng)估軟件，再將評(píng)估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識(shí)別評(píng)估系統(tǒng)。
1. 光盤文件安裝完畢后，按照“電源配置”部分所述為SDP-PMD-IB1Z評(píng)估板接通電源。把SDP板(通過連接器A)接至SDP-PMD-IB1Z評(píng)估板，然后用隨附電纜將其接至用于評(píng)估的PC的USB端口。
2. 將EVAL-CN0326-PMDZ的12引腳直角公引腳接頭連接至SDP-PMD-IB1Z的12引腳直角母引腳接頭。
3. 在運(yùn)行圖9所示程序之前，將pH探針的BNC端子和RTD傳感器連接至EVAL-CN0326-PMDZ的端子插孔中。
4. 在接好并打開所有外設(shè)和電源之后，在圖9所示圖形用戶界面上單擊Connect(連接)。當(dāng)PC成功檢測(cè)到評(píng)估系統(tǒng)時(shí)，即可使用圖9所示軟件對(duì)EVAL-CN0326-PMDZ電路板進(jìn)行評(píng)估。
功能框圖
測(cè)試設(shè)置的功能框圖如圖8所示。該測(cè)試設(shè)置應(yīng)按圖中所示方式連接。主軟件窗口的屏幕截圖如圖9所示。
圖8. pH傳感器測(cè)試設(shè)置功能框圖
圖9. 評(píng)估軟件主窗口
電源配置
SDP-PMD-IB1Z必須采用6 V直流電源，其跳線JP1應(yīng)設(shè)為3.3 V，用于驅(qū)動(dòng)EVAL-CN0326-PMDZ。
測(cè)試
用Agilent E3631A和Yokogawa GS200精密電壓來仿真?zhèn)鞲衅鬏敵?。Yokogawa的負(fù)端子連接至pH傳感器所用ADC的負(fù)端子。正端子與電阻串聯(lián)，接至ADC的正端子，如圖8所示。Yokogawa產(chǎn)生±420 mV電壓，然后仿真pH傳感器輸出，隨后改變串聯(lián)電阻值，以仿真pH探針的玻璃電極的阻抗，如圖8所示。
用CN-0326評(píng)估軟件來捕獲來自EVAL-CN0326-PMDZ電路板的數(shù)據(jù)，所用設(shè)置如圖8所示。有關(guān)軟件使用方法的詳細(xì)信息可在CN-0326軟件用戶指南中找到。
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