完全隔离式电导率测量数据采集系统

　　连接/参考器件

　　AD5934

　　250 kSPS、12位阻抗转换器网络分析仪

　　AD8606

　　精密、低噪声、轨到轨输入/输出、CMOS、运算放大器(双通道)

　　ADG715

　　CMOS、低电压、I2C控制、八通道单刀单掷开关

　　ADuM1250

　　双通道I2C数字隔离器

　　ADuM5000

　　2.5 kV、隔离式DC/DC转换器

　　评估和设计支持

　　电路评估板

　　CN-0349电路评估板(EVAL-CN0349-PMDZ)

　　SDP-I-PMOD转接板(SDP-PMD-IB1Z)

　　系统演示平台，SDP-B (EVAL-SDP-CB1Z)

　　设计和集成文件

　　原理图、布局文件、物料清单

　　电路功能与优势

　　图1显示的电路提供了完整可靠的数据采集解决方案，用于测量被测物的电导，包括温度校正。此电路非常适合测量液体的离子含量，以及进行水质分析和化学分析。

　　该设计针对高精度和低成本优化，仅使用5个有源器件。校准后，该电路总误差小于1% FSR.所有器件均具有小尺寸，因此该电路非常适合注重印刷电路板(PCB)空间的应用。该电路的数字输出是完全隔离的;因此，该电路不存在接地环路干扰问题，非常适合在恶劣工业环境下使用。

　　图1 用于电导率测量的完全隔离式数据采集系统

　　电路描述

　　图1中显示的电路集成了AD5934 12位阻抗转换器、ADG715八通道单刀单掷(SPST)开关、AD8606轨到轨运算放大器、ADuM1250双通道I2C隔离器以及ADuM5000隔离式DC-DC转换器，形成用于电导率测量的完整数据采集系统。该电路具有板载8引脚IMOD连接器，可用于连接客户微处理器或现场可编程门阵列(FPGA)。

　　AD5934是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案，片上集成一个可编程直接数字频率合成器(DDS)和一个12位、250 kSPS模数转换器(ADC)。可调频率发生器产生已知频率来激励外部复阻抗。片上DAC监控未知阻抗的电压和电流。AD5933是与1 MSPS ADC类似的器件。片上数字信号处理器(DSP)引擎计算离散傅里叶变换(DFT)。DFT算法在每个输出频率返回一个实部(R)数据字和一个虚部(I)数据字。

　　选择AD8606运算放大器的原因是该器件具有低失调电压(最大值65μV)、低偏置电流(最大值1 pA)和低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。

　　ADG715是一款互补金属氧化物半导体(CMOS)、8通道单刀单掷开关，通过双线串行接口控制，该接口可兼容I2C接口标准。该器件的功耗较低，具有2.7 V至5.5 V的低工作电源范围和低导通电阻(通常为2.5Ω)，采用小型24引脚TSSOP封装，因而成为诸多应用的理想之选。

　　ADuM5000是一款隔离式DC/DC转换器，具有3.3 V或5 V输出，基于ADI公司的isoPower技术，采用16引脚SOIC封装。

　　ADuM1250是一款支持热插拔的数字隔离器，提供非闩锁双向通信通道，且与I2C接口兼容，基于ADI公司的iCoupler芯片级变压器技术，采用8引脚SOIC封装。

　　电导率理论

　　材料或液体的电阻率ρ定义为：当立方体形状的材料反面完全导电接触时，该材料的电阻。其他形状材料的电阻可按以下方式计算：

　　R =ρL/A

　　其中：

　　L是接触距离。

　　A是接触面积。

　　电阻率的测量单位为Ωcm.当接触1 cm×1 cm×1 cm立方体的反面时，1Ωcm材料的电阻为1Ω。

　　电导是电阻的倒数，电导率是电阻率的倒数。

　　所有水溶液都在一定程度上导电。溶液导电能力的测量指标称为电导，它是电阻的倒数。电导的测量单位为西门子(缩写为“S”)。向纯水中添加电解质，例如盐、酸或碱，可以提高电导并降低电阻。电阻率表示为Ωcm，电导率表示为S/cm、mS/cm或μS/cm.

　　在此电路笔记中，我们使用Y作为电导率的通用符号，测量单位为S/cm、mS/cm或μS/cm.但在很多情况下，为了方便起见，我们会省略距离项，电导率仅表示为S、mS或μS.

　　电导率系统通过连接到沉浸在溶液中传感器的电子元件来测量电导。分析仪电路对传感器施加交流电压，并测量产生的电流大小，电流与电导率相关。由于电导率具有很大温度系数(最高达到4%/°C)，因此电路中集成了必需的温度传感器，用于将读数调整为标准温度，通常为25°C (77°F)。对溶液进行测量时，必须考虑水本身的电导率的温度系数。为了精确地补偿温度，必须使用第二个温度传感器和补偿网络。

　　电导率传感器

　　接触型传感器通常包括相互绝缘的两个电极。电极通常为316型不锈钢、钛钯合金或石墨，具有特定的大小和间距，以提供已知的电导池常数。从理论上说，1.0/cm的电导池常数表示两个电极，每个电极面积为1平方厘米，间距为1厘米。对于特定的工作范围，电导池常数必须与分析仪相匹配。例如，如果在电导率为1μS/cm的纯水中使用电导池常数为1.0/cm的传感器，则电导池的电阻为1 MΩ。相反，相同电导池在海水中的电阻为30Ω，由于电阻比过大，普通仪器很难在仅有一个电导池常数情况下精确测量此类极端情况。

　　对1μS/cm溶液进行测量时，电导池配置了很大的电极，相距很小的间距。例如，对于电导池常数为0.01/cm的电导池，结果是电导池电阻大约为10，000Ω，可以非常精确地测量。因此，对于超纯水和高电导率海水，使用具有不同电导池常数的电导池，测量仪表可在相同的电导池电阻范围内工作。

　　温度补偿

　　电导率测量系统精度只有经过温度补偿才能达到最佳。由于常见溶液温度系数在1%/°C至3%/°C或更高值之间变化，因此必须使用带有可调温度补偿的测量仪器。溶液温度系数在某种程度上是非线性的，通常还随着实际电导率变化。因此，在实际测量温度下进行校准可以达到最佳精度。

　　图1显示的电路可实现精确的电导率测量，从较低的μS到几百mS的范围，它还优化了AD5934在很大导纳范围内的整体精度。此外还集成了使用Pt100电阻温度检测器(RTD)的温度测量功能。该电路可以使用8引脚IMOD(I2C接口)连接器来连接到微处理器评估板，以实现快速原型开发(Digilent Pmod规格)。

　　该电路主要由四个模块组成。第一个模块是阻抗到数字转换器，包含：AD5934(U3)阻抗转换器;用于将交流信号偏置至VDD/2的跟随器(AD8606的一半，U2A);使用AD8606的另一半的电流电压转换器配置U2B.

　　第二个模块是可编程电阻反馈(R6、R8、R9)和校准电路(R3、R4、R7)以及8通道单刀单掷开关ADG715 (U1)。它通过I2C串行接口控制ADG715，以实现测量范围和校准程序。

　　第三个模块是ADuM1250 (U5)热插拔数字隔离器，用于将串行数据从AD5934 (U3)传输到IMOD CON (J2)。第四个模块是ADuM5000 (U4)，它是隔离式DC-DC转换器，具有3.3 V的输出电压，为电路提供电源。

　　但是，第三个模块和第四个模块是可选的，它们提供电路和微处理器评估板之间的电流隔离。除非必须隔离，否则这两个模块不是必需的。

　　该电路使用CON1 (J1)连接器连接到带有内置Pt100 RTD温度传感器的电导池。

　　利用一个稳定的低抖动FXO-HC536R-1 (U6)石英晶体振荡器，将施加于MCLK引脚的时钟频率设置为1 MHz.此隔离器让AD5934能够激励频率为2 kHz的电导池，非常适合电导率测量。

　　电路设计

　　图2显示了电路中使用的电导率和温度测量的优化信号链。AD5934具有四个可编程输出电压范围。每个范围都有对应的输出阻抗。例如，1.98 V p-p输出电压的输出阻抗一般为200Ω(参见AD5934数据手册)。输出阻抗会影响阻抗测量精度，在低ohm范围内尤为突出。在信号链内的简易缓冲器可防止输出阻抗影响未知的阻抗测量。应选择低输出阻抗放大器，保证足够的带宽来适应AD5934的激励频率。针对AD8605 /AD8606 /AD8608系列的CMOS运算放大器，能够实现的低输出阻抗示例如图2所示。在增益为1时，此放大器的输出阻抗小于1Ω(最高100 kHz)，这是AD5934的最高工作范围。

　　图2 电导率和温度测量的优化信号链

　　AD5934中的四个可编程输出电压范围具有四个关联的偏置电压(参见AD5934数据手册)。例如，1.98 V p-p激励电压需要1.48 V的偏置。但是，AD5934的电流电压(I-V)接收级设置为固定偏压VDD/2.因此，对于3.3 V电源，发射偏压为1.48 V，而接收偏压为3.3 V/2 = 1.65 V.此电位差会引起测试溶液YX极化，并可导致电导率测量不准确。一种解决方案是添加一个在低Hz范围内具有转折频率的简单高通滤波器(参见电路笔记CN-0217)。消除发射级的直流偏置，并将交流信号重新偏置至VDD/2，在整个信号链中保持直流电平恒定。R1和R5(10 kΩ)两者均使用精度0.1%的电阻作为偏置电阻以减少误差。

　　AD5934的I-V放大级还可能轻微增加信号链的误差。I-V转换级易受放大器的偏置电流、失调电压和共模抑制比(CMRR)影响。通过选择适当的外部分立放大器(U2B)来执行I-V转换，可以提高精度。选择AD8606的原因是该器件具有低失调电压(最大值65μV)、低偏置电流(最大值1 pA)、高CMRR(通常为95 dB)、低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。该内部放大器随后可配置成一个简单的反相增益级。如AN-1252应用笔记中所述，RFB仍根据系统的整体增益来选择。I-V转换器的输入和输出必须精确偏置为VDD/2.R12和R13(10 kΩ)两者均使用精度0.1%的电阻作为偏置电阻。

　　精度很大程度上取决于未知阻抗范围(电导率范围)相对于校准电阻RCAL的大小幅度(参见电路笔记CN-0217和应用笔记AN-1252)。选择接近未知阻抗的RCAL可实现更精确的测量，即以RCAL为中心的未知阻抗范围越小，测量精度越高。因此，对于较大的未知阻抗范围，可在各种RCAL电阻之间切换，如图2中所示。在RCAL增益系数计算期间可通过校准消除开关的导通电阻(RON)误差。使用不同反馈电阻(RFB)值(见图2)可优化ADC所获得信号动态范围。