電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是使用電化學傳感器的單電源、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(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 ，該器件在室溫下的最大輸入偏置電流為2 pA，每個放大器的功耗僅為10 μA。此外，ADR291 精密、低噪聲、微功耗基準電壓源的功耗僅為12 μA，可建立2.5 V共模偽地基準電壓。

圖1. 低功耗氣體探測器電路

ADP2503 高效率、降壓/升壓調節(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，在最差條件下（探測到2000 ppm CO）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。當連接到ADC和微控制器或者內置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，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 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運算放大器在室溫下具有最大輸入偏置電流為2 pA的CMOS輸入，因此很適合這種應用。

2.5 V ADR291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。

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?？缱璺糯笃鱑2-B將傳感器電流轉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。

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傳感器的最大響應是100 nA/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm的一氧化碳。因此，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。

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的最大輸出電壓，從而提供大約8%的超量程能力。

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

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 ?，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 μV p-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，傳感器響應也極低；因此可以利用這一點，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。

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。當暴露于目標氣體濃度的中量程階躍時，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2.5 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，ADP2503將輸入電源調節(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，而無需改變材料清單。AD5271提供20 kΩ、50 kΩ或100 kΩ的標稱電阻值。由于有256個跳變位置，因此100 kΩ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，一些應用可能需要使用外部電源運行。實施雙電源配置的最有效方式是使用內置開關且具有機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 運算放大器代替ADA4505-2可大幅降低噪聲，提高精度，但功耗也會增加。ADA4528-1具有實際為零的失調漂移和業(yè)界領先的低輸入電壓噪聲。

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

最后，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置轉換器。

對于必須測量氣體濃度ppm比例的應用，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-SDP-CB1Z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。EVAL-CN0234-SDPZ包括AD7798 16位Σ-Δ型ADC，用于對電路的輸出電壓進行數(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)。

設備要求

需要以下設備：

·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顯示測試設置的功能框圖。EVAL-CN0234-SDPZ-SCH PDF文件提供了完整電路原理圖。此文件位于CN0234 設計支持中。

圖3. 測試設置功能框圖

設置

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。將電化學傳感器連接到EVAL-CN0234-SDPZ電路評估板上的插口。

將電源開關滑動到關閉位置，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移動到打開位置，啟動評估軟件。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文件包含有關如何使用評估軟件采集數(shù)據(jù)的詳細信息。SDP用戶指南包含有關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。

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

要應用系統(tǒng)校準數(shù)據(jù)，請選中前面板上的“Display Calibrated Data（顯示校準數(shù)據(jù)）”復選框。

如果未選中“Display Calibrated Data（顯示校準數(shù)據(jù)）”復選框，程序采用默認比例值運行，即假定標稱傳感器響應為65 nA/ppm，無失調誤差。

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

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

圖4. 對0 PPM至50 PPM一氧化碳階躍的響應

圖5顯示從50 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。

圖5. 對50 PPM至0 PPM一氧化碳階躍的響應