連接/參考器件

　　ADA4505-2 微功耗、軌到軌I/O、雙通道運(yùn)算放大器

　　ADR291 微功耗、2.5 V基準(zhǔn)電壓源

　　ADP2503 2.5 MHz、降壓/升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

　　AD7798 16位低功耗∑-Δ型ADC

　　評估和設(shè)計支持

　　電路評估板

　　CN-0234電路評估板（EVAL-CN234-SDPZ）

　　系統(tǒng)演示平臺（EVAL-SDP-CB1Z）

　　設(shè)計和集成文件

　　原理圖、布局文件、物料清單

　　電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是使用電化學(xué)傳感器的單電源、低功耗、電池供電、便攜式氣體探測器。本示例中使用AlphasenseCO-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(xué)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(shè)計，可用分辨率小于氣體濃度的百萬分之一（ppm），所需工作電流極小，非常適合便攜式電池供電的儀器。圖1所示電路使用雙通道微功耗放大器ADA4505-2，該器件在室溫下的輸入偏置電流為2 pA，每個放大器的功耗僅為10 μA。此外，ADR291精密、低噪聲、微功耗基準(zhǔn)電壓源的功耗僅為12 μA，可建立2.5 V共模偽地基準(zhǔn)電壓。

　　圖1. 低功耗氣體探測器電路

　　ADP2503高效率、降壓/升壓調(diào)節(jié)器支持兩節(jié)AAA電池的單電源供電，在節(jié)能模式下的功耗僅為38 μA。

　　圖1所示電路（不包括AD7798 ADC）的總功耗在正常條件下（未探測到氣體）約為110 μA，在差條件下（探測到2000 ppmCO）約為460 μA。AD7798工作時的功耗約為180 μA（G = 1，緩沖模式），節(jié)能模式下僅為1 μA。

　　由于電路功耗極低，兩節(jié)AAA電池便可提供合適的電源。當(dāng)連接到ADC和微控制器或者內(nèi)置ADC的微控制器時，電池壽命可從6個月以上到一年以上不等。

　　電路描述

　　圖2顯示電化學(xué)傳感器測量電路的原理示意圖。電化學(xué)傳感器的工作原理是允許氣體通過薄膜擴(kuò)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）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發(fā)生的反應(yīng)是氧化還是還原。在一氧化碳情況下發(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(fù)電壓（通常為300 mV至400 mV）。驅(qū)動CE引腳的運(yùn)算放大器相對于VREF應(yīng)具有±1 V的輸出電壓范圍，以便為不同類型的傳感器（Alphasense應(yīng)用筆記AAN-105-03，設(shè)計恒電位電路，Alphasense公司）提供充足裕量。

　　圖2. 簡化電化學(xué)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。ADA4505-2運(yùn)算放大器在室溫下具有輸入偏置電流為2 pA的CMOS輸入，因此很適合這種應(yīng)用。

　　2.5 V ADR291為電路建立偽地基準(zhǔn)電壓，因此支持單電源供電同時消耗極低的靜態(tài)電流。

　　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U2-A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U2-B將傳感器電流轉(zhuǎn)換為與氣體濃度成正比的電壓。

　　此電路筆記選擇的傳感器是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(yīng)格外小心。

　　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R8）。

　　CO-AX傳感器的響應(yīng)是100 nA/ppm,其輸入范圍為2000 ppm的一氧化碳。因此，輸出電流為200 μA,輸出電壓由跨阻電阻決定，如公式2所示。

　　使用5 V電源為電路供電可在跨阻放大器U2-B的輸出端產(chǎn)生2.5 V的可用范圍。為跨阻反饋電阻選擇11.5 kΩ電阻可提供4.8 V的輸出電壓，從而提供大約8%的超量程能力。

　　傳感器使用65 nA/ppm的典型響應(yīng)時，公式3顯示與一氧化碳的ppm有函數(shù)關(guān)系的電路輸出電壓。

　　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。對于本例，R4 = 33 Ω，由此可計算噪聲增益等于349，如公式4所示。

　　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，我們僅關(guān)注低頻噪聲，因為傳感器工作頻率極低。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μVp-p;因此，輸出端噪聲為1.03 mV p-p，如公式5所示。

　　由于這是極低頻1/f噪聲，所以很難濾除。然而，傳感器響應(yīng)也極低；因此可以利用這一點(diǎn)，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(yīng)時間相比，它對傳感器響應(yīng)時間的影響也可忽略。

　　電化學(xué)傳感器的一個重要特性是極長的時間常數(shù)。首次上電時，輸出建立終值可能需要幾分鐘。當(dāng)暴露于目標(biāo)氣體濃度的中量程階躍時，傳感器輸出達(dá)到終值的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終值可能需要幾分鐘。這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(dāng)電源電壓降至JFET的柵極-源極閾值電壓（約2.5 V）以下時，P溝道JFET Q1將RE引腳與WE引腳短接。

　　兩節(jié)AAA電池或2.3 V至5.5 V電源為此電路供電。Q2提供反向電壓保護(hù)，ADP2503將輸入電源調(diào)節(jié)至傳感器供電所需的5 V電壓。

　　常見變化

　　如果使用可編程變阻器（如AD5271），而不是固定跨阻電阻（R8），本電路就可以用于不同的氣體傳感器，而無需改變物料清單。AD5271提供20 k Ω、50 k Ω或100 k Ω的標(biāo)稱電阻值。由于有256個跳變位置，因此100 k Ω選項的階躍為390.6 Ω。AD5271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)功耗的影響極小。

　　雖然兩節(jié)AAA電池就能為圖1所示電路供電數(shù)月之久，一些應(yīng)用可能需要使用外部電源運(yùn)行。實施雙電源配置的有效方式是使用內(nèi)置開關(guān)且具有機(jī)械斷開特性的電源插座，在將外部電源插頭插入插座時可自動移除電池電源。

　　本文所述電路具有極低的功耗。使用兩個ADA4528-1運(yùn)算放大器代替ADA4505-2可大幅降低噪聲，提高，但功耗也會增加。ADA4528-1具有實際為零的失調(diào)漂移和業(yè)界的低輸入電壓噪聲。

　　同樣，ADR3425可取代ADR291,從而獲得極低溫漂；但代價是功耗增加。

　　，圖1所示電路適用于與12位ADC接口，例如大多數(shù)混合信號微控制器中的內(nèi)置轉(zhuǎn)換器。

　　對于必須測量氣體濃度ppm比例的應(yīng)用，使用ADA4528-1和ADR3425使得電路性能適合與16位ADC接口，例如AD7798或AD7171.

　　電路評估與測試

　　本電路使用EVAL-CN0234-SDPZ電路評估板和EVAL-SDPCB1Z系統(tǒng)演示平臺（SDP）評估板。此外，連接兩個電路板需要EVAL-CN0234-SDPZ附帶的小適配板。EVALCN0234-SDPZ包括AD7798 16位∑-Δ型ADC,用于對電路的輸出電壓進(jìn)行數(shù)字化處理。

　　CN-0234評估軟件與SDP板通信，以從EVAL-CN0234-SDPZ電路評估板捕捉數(shù)據(jù)。

　　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-CN0234-SDPZ電路評估板和適配板

　　● EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板

　　● CN0234評估軟件

　　● 兩節(jié)AAA電池

　　● 校準(zhǔn)氣體（建議使用低于250 ppm的CO）

　　開始使用

　　將CN0234評估軟件光盤放入PC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。打開我的電腦，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。

　　功能框圖

　　圖3顯示測試設(shè)置的功能框圖。EVAL-CN0234-SDPZ-SCHPDF文件提供了完整電路原理圖。此文件位于CN0234設(shè)計支持包中。

　　圖3. 測試設(shè)置功能框圖

　　設(shè)置

　　將EVAL-CN0234-SDPZ上的10引腳連接器連接到適配板，將適配板的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板上的CON A連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔將適配板牢牢固定至SDP板。將電化學(xué)傳感器連接到EVAL-CN0234-SDPZ電路評估板上的插口。

　　將電源開關(guān)滑動到關(guān)閉位置，將兩節(jié)AAA電池插入電池座。將SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口和SDP板。SDP板從PC的USB端口取電。

　　測試

　　將EVAL-CN0234-SDPZ電路板上的電源開關(guān)移動到打開位置，啟動評估軟件。如果“Device Manager（設(shè)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-CN0234-SDPZ電路評估板的串行數(shù)據(jù)。

　　CN0234評估軟件readme文件包含有關(guān)如何使用評估軟件采集數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。SDP用戶指南包含有關(guān)SDP板的信息。

　　該電路板的輸入信號是氣體濃度；因此需要校準(zhǔn)氣體源。使用一氧化碳進(jìn)行測試時，短時間接觸限值為250 ppm.

　　要執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，首先請確認(rèn)不存在一氧化碳。要開始采集數(shù)據(jù)，請單擊“Start Acquisition（開始采集）”.從“Calibrate（校準(zhǔn)）”菜單選擇“Set Zero（設(shè)置0）”.如果滿意ADC讀數(shù)，請單擊“OK（確定）”,當(dāng)前ADC讀數(shù)會被存儲為0點(diǎn)。應(yīng)用校準(zhǔn)氣體，當(dāng)傳感器輸出完全建立后，從“Calibrate（校準(zhǔn)）”菜單中選擇“Set Span（設(shè)置范圍）”.輸入所用校準(zhǔn)氣體的濃度，單擊“OK（確定）”.如此會存儲系統(tǒng)范圍。

　　要應(yīng)用系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，請選中前面板上的“Display CalibratedData（顯示校準(zhǔn)數(shù)據(jù)）”復(fù)選框。

　　如果未選中“Display Calibrated Data（顯示校準(zhǔn)數(shù)據(jù)）”復(fù)選框，程序采用默認(rèn)比例值運(yùn)行，即假定標(biāo)稱傳感器響應(yīng)為65 nA/ppm,無失調(diào)誤差。

　　要將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存到文件，請從“File（文件）”菜單中選擇“Save Calibration Constants to File（將校準(zhǔn)常數(shù)保存到文件）”。同樣，選擇“Load Calibration Constants from File（從文件加載校準(zhǔn)常數(shù)）”可使用先前保存的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

　　圖4顯示電路對50 ppm一氧化碳階躍的響應(yīng)。傳感器響應(yīng)縮短了初始上升時間，而長尾現(xiàn)象與測試室成函數(shù)關(guān)系。

　　圖4. 對0 ppm至50 ppm一氧化碳階躍的響應(yīng)

　　圖5顯示從50 ppm CO環(huán)境迅速移除傳感器后的電路響應(yīng)，它可以更好地衡量電路性能。

　　圖5. 對50 ppm至0 ppm一氧化碳階躍的響應(yīng)