电路笔记 CN-0326 连接/参考器件 Circuits from the Lab™ reference circuits are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0326. AD7793 ADuM5401 AD8603 3通道、低噪声、低功耗24位 Σ-Δ型ADC 集成DC/DC转换器的四通道 隔离器 微功耗RRIO、低噪声、精密 单通道CMOS运算放大器 具有温度补偿的隔离式低功耗PH值测试系统 评估和设计支持 该电路可为0至14范围内的pH值提供精度为0.5%的读数， 电路评估板 无噪声代码分辨率大于14位，适用于多种工业应用，如化 CN0326评估板(EVAL-CN0326-PMDZ) 工、食品加工、水处理、污水分析等。 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 该电路支持众多内部电阻超高(范围从1 MΩ至数GΩ)的pH传 SDP PMOD转接板(SDP-PMD-IB1Z) 感器，其数字信号和电源隔离设计使其免受恶劣工业环境 设计和集成文件 中常见的噪声和瞬变电压的影响。 原理图、布局文件、物料清单 电路功能与优势 图1所示电路是一个完全隔离式低功耗pH传感器信号调理 器和数字化仪，并且带有自动温度补偿以实现高精度。 3.3VISO FERRITE BEAD: MURATA BLM21PG331SN1D BEAD 3.3VISO 210µA 3.3V DVDD AVDD IOUT2 10kΩ VDD1 CS VOA VIA CS SCLK VOB VIB SCLK DIN VOC VIC DIN AIN2(–) DOUT/ RDY RFIN(+)/AIN3(+) VID VOD RFIN(–)/AIN3(–) GNDISO 1µF pH SENSOR J1 3.3VISO AD7793 1MΩ 10kΩ AIN1(+) AD8603 1µF AIN1(–) 10kΩ 5kΩ 1µF GND GND1 ADUM5401 GNDISO DOUT/RDY 11821-001 TO Pt1000 RTD P1 VISO AIN2(+) 图1. pH传感器电路图(简化原理图： 未显示所有连接和去耦) Rev. 0 Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0326 电路描述 电路细节 pH测量的基本原理 该设计为带温度补偿的pH传感器提供了一种整体解决方 pH值是衡量水溶液中氢离子和氢氧化物离子相对量的一项 案。有三个重要的电路级：pH探针缓冲器、ADC和数字 指标。就摩尔浓度来说，25°C的水含有1 × 10 摩尔/升氢离 及电源隔离器，如图1所示。 子，氢氧化物离子浓度与此相同。中性溶液指氢离子浓度 AD8603，是一款精密微功耗(最大值50 μA)及低噪声(22 nV/√Hz) 正好等于氢氧化物离子浓度的溶液。pH值是表示氢离子浓 CMOS运算放大器，配置为连接AD7793通道之一输入的缓 度的另一种方式，定义如下： 冲器。AD8603的典型输入偏置电流为200 fA，为高内部电阻 −7 pH探针提供了一种有效的解决方案。 因此，如果氢离子浓度为1.0 × 10 摩尔/升，则pH值为2.00。 pH检测和温度补偿系统基于AD7793，24位(Σ-Δ)ADC。它 pH电极是许多工业所使用的电化学传感器，但对水处理和 有三个差分模拟输入和一个片内低噪声、可编程增益放大 污水工业具有特别重要的意义。pH探针由一个玻璃测量电 器(PGA)，其范围为单位增益至128。AD7793的最大功耗 极和一个参考电极构成，类似于一块电池。当把探针置于 仅为500 μA，适用于任何低功耗应用。有一个低噪声、低漂 溶液中时，测量电极产生一个电压，具体取决于溶液中氢 移内部带隙基准电压源，而且也可采用一个外部差分基准 的活性，然后将该电压与参考电极的电位进行比较。随着 电压。输出数据速率可通过软件编程设置，可在4.17 Hz至 溶液酸性的增强(pH值变低)，玻璃电极电位相对于参比电 470 Hz的范围内变化。 极阳性增强(+mV)；随着溶液碱性的增强(pH值变高)，玻 ADuM5401(四通道数字隔离器，集成DC-DC转换器)提供 璃电极电位相对于参比电极阴性增强(-mV)。这两个电极 微控制器与AD7793数字线路之间的数字信号和电源隔离功 之差即为测得电位。在理想情况下，典型的pH探针在25°C 能。利用iCoupler芯片级变压器技术，能够隔离逻辑信号 −2 下会产生59.154 mV/pH单位，用能斯脱方程表示为： 和DC/DC转换器中的电源反馈路径。 pH传感器接口缓冲器 典型的pH探针电极由玻璃制成，可形成极高的电阻，范围 其中： 从1 MΩ到1 GΩ不等，充当与pH电压源串联的电阻，如图2 E = 氢电极电压，活性未知 所示。 α = ±30 mV，零点容差 210µA T = 环境温度(单位：°C) n = 1(25 °C)，价(离子上的电荷数) pH SENSOR 1GΩ F = 96485库仑/摩尔，法拉第常数 1MΩ AD8603 pH VOUT R = 8.314 伏特-库仑/°K摩尔，阿伏加德罗氏数 AD7793 3.3VISO IBIAS J1 IOUT2 10kΩ AIN1(+) 1µF AIN1(–) AIN2(–) 10kΩ +1.05V pHISO = 7，参比氢离子浓度 5kΩ RFIN(+)/AIN3(+) 1µF RFIN(–)/AIN3(–) GND 方程表明，产生的电压取决于溶液的酸度和碱度，并以已 知方式随氢离子活性而变化。溶液温度的变化会改变其氢 图2. 连接ADC的pH传感器和缓冲器接口 (简化原理图： 未显示所有连接、RTD和去耦。) 离子的活性。当溶液被加热时，氢离子运动速度加快，结 果导致两个电极间电位差的增加。另外，当溶液冷却时， 氢活性降低，导致电位差下降。根据设计，在理想情况 下，当置于pH值为7的缓冲溶液中时，电极会产生零伏特 电位。 流过该串联电阻的缓冲放大器偏置电流会给系统带来失调 误差。为使电路与该高源电阻隔离开来，在这种应用中， 需要一个高输入阻抗、超低输入偏置电流的缓冲放大器。 AD8603用作该应用的缓冲放大器，如图2所示。AD8603的 低输入电流可以最大限度地减少流过电极电阻的偏置电流 关于pH理论的一本不错的参考书是《pH理论与实践》(出 版社：Radiometer Analytical SAS；出版地点：Villeurbanne 所产生的电压误差。 Cedex，法国)。 Rev. 0 | Page 2 of 7 11821-002 pH = 未知溶液的氢离子浓度 CN-0326 就25°C下串联电阻为1 GΩ的pH探针来说，对于200 fA典型输 表2. DIN-43760的标准RTD精度 入偏置电流，失调误差为0.2 mV (0.0037 pH)。即使在1 pA 类 DIN 43760 A类 DIN 43760 B类 的最大输入偏置电流下，误差也只有1 mV。 容差 ±0.06% @ 0°C ±0.12% @ 0°C 10 kΩ/1 µF低通噪声滤波器针对缓冲放大器输出的截止频率 为f= 1/2πRC，即16 Hz。 表3. ASTM E-1137的标准RTD精度 必须利用防护、屏蔽、高绝缘电阻支柱以及其他此类标准 皮安方法，以最大限度地减少AD8603缓冲器高阻抗输入端 级 ASTM E-1137 A级 ASTM E-1137 B级 容差 ±0.05% @ 0°C ±0.10% @ 0°C 的泄漏。 RTD电阻值的计算公式为： ADC通道1配置，pH传感器 RTD电阻 = RTD0 (1 + T α) 该级涉及测量pH电极产生的小电压。表1展示了一个典型 pH探针的技术规格。基于能斯脱方程，来自探针的满量程 其中： 电压范围为±414 mV (±59.14 mV/pH) (25°C)至±490 mV (±70 RTD电阻 = T下的电阻值 mV/pH)(80°C)。 RTD0 = 0°C下的电阻值 T = 环境温度 表1. 典型pH探针的技术规格 测量范围 零电压下的pH值 精度 分辨度 工作温度 反应时间 pH 0至pH 14 pH 7.00 ± 0.25 pH 0.05，温度范围：20°C至 25°C pH 0.01 0.1 mV 80°C(最大值) 最终值的95%≤ 1秒 α = 0.00385 Ω/Ω/°C，DIN Std 43760-1980和IEC 751-1983定 义的温度系数 RTD电阻在0°C (1000 Ω)至100°C (1385 Ω)范围内变化，产生 的电压信号范围为210 mV至290 mV，激励电流为210 µA。 精密5 kΩ电阻产生作为外部基准电压源的1.05 V电压。当增 益为1时，模拟输入范围为±1.05 V (±VREF/G)。该架构形成 在读取pH探针输出电压时，ADC采用外部1.05 V基准电压 一种比率式配置。 激励电流值的变化不会影响系统精度。 源，增益配置为1。满量程输入范围为±VREF/G = ±1.05 V， 尽管100 Ω Pt RTD十分常见，也可指定其他电阻(200 Ω、 来自pH探针的最大信号为±490 mV (80°C)。 500 Ω、1000 Ω等)和材料(镍、铜、镍铁)。本应用使用一个 由于传感器的输出是双极性的，并且AD7793采用单电源供 1 kΩ DIN 43760 A类RTD，用于实现pH传感器的温度补偿功 电，因此，pH探针产生的信号应偏置到地以上，以使其处 能。 1000 Ω RTD对线路电阻误差不如100 Ω RTD敏感度。 于ADC的可接受共模范围之内。该偏置电压产生的方式是， 采用一条2线连接，如图3所示。在RTD引脚上施加恒定电 将210 µA IOUT2电流注入5 kΩ 0.1%电阻，如图2所示。结果 流，同时测量通过RTD本身的电压。测量器件是AD7793， 产生1.05 V共模偏置电压，这同时充当ADC基准电压。 该器件表现出高输入电阻和低输入偏置电流。该方案的误 差源是引脚电阻、AD7793所产生恒定电流源的稳定性以及 ADC通道2配置，RTD ADC的 第 二 通 道 监 控 在 RTD上 产 生 的 电 压 ， 该 RTD由 输入放大器中的输入阻抗和/或偏置电流及相应的漂移。 AD7793的IOUT2电流输出引脚驱动。210 μA激励电流驱动 由RTD和精密电阻(5 kΩ, 0.1%)构成的串联组合。(参见图1)。 纯铂的温度系数为0.003926 Ω/Ω/°C。根据DIN Std. 43760-1980 和IEC 751-1983标准，工业RTD的正常系数为0.00385 Ω/Ω/°C。 RTD的精度通常以0°C为基准。DIN 43760标准认可两个类， 如表2所示，ASTM E–1137标准认可两个级，如表3所示。 Rev. 0 | Page 3 of 7 CN-0326 210µA IOUT2 10kΩ AIN2(+) 1µF Pt1000 RTD DIN 43760 CLASS A RLEAD AD7793 P1 RLEAD AIN2(–) 10kΩ 210µA RFIN(+)/AIN3(+) 1µF RFIN(–)/AIN3(–) GND 11821-003 5kΩ, 0.1% 图3. 2线铂RTD连接(简化原理图： 未显示所有连接和去耦) 11821-004 消除线路电阻误差的另一种可能性是3线RTD配置，详见 电流笔记CN-0287。 图4. 评估软件校准设置窗口 输出编码 用户需要至少使用两种缓冲溶液，其中，用一种值为pH-7 任一通道上输入电压的输出代码为： 的中性pH缓冲溶液来消除pH探针和系统导致的失调。中 AIN × GAIN Code = 2 N –1 +1 V REF 性缓冲溶液可以用来设置第一个校准点。第一种缓冲溶液 的pH值取决于需要测量的溶液的pH值。在测量碱性基液 时，可以使用pH-10缓冲溶液；在测量酸性溶液时，可使 其中： 用pH-4缓冲溶液。为了提高测量的精度，可以实施三点校 AIN为模拟输入电压。 准。其方法是在第2步和第3步使用两组不同的缓冲溶液， GAIN为仪表放大器设置。 如图4所示，其中，pH-7溶液用来消除失调。 N = 24 软件包括NIST推荐的缓冲溶液清单。清单中描述的每种缓 EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台板和PC处理AD7793输出的 冲溶液都有自己的温度系数，范围在0°C至95°C之间，可 数据。 以在Radiometer Analytical出版的《pH理论与实践》一书中 数字和电源隔离 找到。软件利用该表将来自pH探针的mV输入关联至与读 ADuM5401隔离ADC数字信号，同时为电路提供经隔离稳 取自RTD传感器的温度读数相对应的正确pH值，并利用线 压的3.3 V电源。ADuM5401 (VDD1)的输入应在3.0 V和3.6 V 之间。要注意ADuM5401的布局，以尽量减少EMI/RFI问 性插值法来填充表中空白。用户可以选择通过单击如图4 所示绿色按钮，使能/禁用连续温度补偿选项。 题。有关更多详情，请参考AN-1109应用笔记：iCoupler器 用于pH传感器校准的缓冲溶液在市场中很常见。也可使用 件的辐射控制建议。 NIST认证的其他pH参比溶液来校准。由于市场上有多种 缓冲溶液可供选择，因此，软件同时为用户提供了一个选 系统校准 AD7793的AIN3(+)输入用于测量精密5 kΩ 0.1%电阻上的电 压降。为了精确测量RTD电阻，必须考虑IOUT2电流的 ±5%变化范围。在此基础上，将该电压除以5 kΩ，从而求得 IOUT2确切电流值。RTD电阻则通过用RTD中的电压除以 项，可以使用所需要的NIST认证pH参比溶液进行校准， 如图4所示。 软件同时还为用户提供了一个使用其他RTD电阻值的选 项，但其默认值设为1000 Ω。 IOUT2确切电流值来计算。 利用如图4所示两点校准程序来校准EVAL-CN0326-PMDZ 评估软件中的pH计。 Rev. 0 | Page 4 of 7 声等于1.96 μV(噪声折合到输入端，来自AD7793数据手册)。 峰峰值噪声等于： 6.6 × RMS 噪声 = 6.6 × 1.96 µV = 12.936 µV 如果pH计的灵敏度为59 mV/pH，则pH计能测量的无噪声分 辨度pH水平为 12.936 μV / (59 mV/pH) = 0.000219 pH 其中只包括AD7793的噪声贡献。实际系统结果见下一节。 0.4 0.35 200MΩ 0.3 0.03 0.2 100MΩ 0.25 1MΩ 0.1 0.20 0 –0.1 0.15 –0.2 SIMULATED pH OUTPUT VOLTAGE –0.3 0.10 0.05 –0.4 –0.5 14 LINEARITY ERROR (%) 如果输出数据速率为16.7 Hz且增益为1，则AD7793的rms噪 0.40 0.5 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 11821-006 系统噪声考虑因素 pH SENSOR SIMULATED OUTPUT VOLTAGE (mV) CN-0326 ADC OUTPUT pH READING (pH) 测试数据与结果 图6. pH传感器仿真输出电压(及关联线性误差图) 与ADC输出pH读数的关系(所示探针电阻为 1 MΩ、100 MΩ和200 MΩ) 全部数据捕获操作都通过CN0326 LabVIEW评估软件实现。 用一个Yokogawa GS200精密电压源来模拟pH传感器的输入。 通过以1 mV增量在−420 mV至+420 mV范围内扫描精密电 压，EVAL-CN0326-PMDZ能根据用户自定义的校准选项捕 测试数据以图7所示评估板采集。针对该系统的完整文档 可以在CN-0326设计支持包中找到。 获数据。 AD8603缓冲器和AD7793在实际系统中的峰峰值噪声的确定 方法是，短接pH探针BNC连接器，并采集1000个采样。如 11821-007 图5中所直方图所示，代码分布约为500个代码，相当于峰 峰值噪声为31.3 µV，等效pH读数分布为0.00053 pH峰峰值。 图 7. EVAL-CN0326-PMDZ板的照片 30 常见变化 25 其他合适的ADC有AD7792和AD7785，这两款器件具有与 AD7793相同的特性组合， 但AD7792为16位ADC，AD7785 20 为20位ADC。 15 AD8607缓冲放大器采用8引脚MSOP封装。这是一款双通道 10 微功耗轨到轨输入/输出放大器，与AD8603属于同一系列。 5 ADuM5401的其他系列包括多种通道配置，如ADuM5402 0 6FB864 6FB900 6FB980 ADC CODE 6FBA00 6FBA58 /ADuM5403 /ADuM5404，同时提供4个独立隔离通道。 11821-005 COUNTS 35 电路评估与测试 图5. 输出代码分布直方图 (AD7793输入引脚短接在一起) 本电路采用EVAL-CN0326-PMDZ电路板、EVAL-SDP-CB1Z 测试系统时将三个不同电阻与ADC输入串联，以仿真高阻 抗玻璃电极的不同阻抗。同时对系统进行了校准，结果得 到60 mV/pH。据图6，线性误差随仿真玻璃电极阻抗的增加 而增加。图6同时显示，在整个仿真pH输出电压范围内， 对于200 MΩ的pH探针阻抗，线性误差小于0.5%。 系统演示平台(SDP)评估板和SDP-PMD-IB1Z(一款针对 EVAL-SDP-CB1Z的PMOD转接板)。SDP和SDP-PMD-IB1Z 板具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估 电路性能。为了使用SDP-PMD-IB1Z和SDP评估EVALCN0326-PMDZ板，通过一个间距为100密尔、面积为25平 方 密 尔 的 标 准 直 角 引 脚 -接 头 连 接 器 把 EVAL-CN0326PMDZ连接至SDP-PMD-IB1Z。 Rev. 0 | Page 5 of 7 CN-0326 设备要求 功能框图 需要以下设备： 测试设置的功能框图如图8所示。该测试设置应按图中所 • 带USB端口的Windows® XP、Windows® Vista(32位)或 示方式连接。主软件窗口的屏幕截图如图9所示。 Windows® 7(32位)PC Pt1000 RTD • EVAL-CN0326-PMDZ电路评估板 • EVAL-SDP-CB1Z电路评估板 PRECISION VOLTAGE SOURCE • CN-0326评估软件 • 电源： 6 V壁式或同等电源适配器 1MΩ PC SDP-PMD-IB1Z EVAL-SDP-CB1Z P1 EVAL-CN0326-PMDZ J1 11821-008 • SDP-PMD-IB1Z SDP转接板 6V SUPPLY 图8. pH传感器测试设置功能框图 • Yokogawa 2000精密直流电源或等效电源 开始使用 将CN-0326评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估 软件。打开“我的电脑”，找到包含评估软件光盘的驱动 器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和 使用评估软件。 设置 CN0326评估套件包括一张光盘，其中含有自安装软件。该 软件兼容Windows® XP (SP2)和Vista(32位和64位)。如果安装 文件未自动运行，您可以运行光盘中的setup.exe文件。 请先安装评估软件，再将评估板和SDP板连接到PC的USB 端口，确保PC能够正确识别评估系统。 1. 光盘文件安装完毕后，按照“电源配置”部分所述为 11821-009 SDP-PMD-IB1Z评估板接通电源。把SDP板(通过连接 器A)接至SDP-PMD-IB1Z评估板，然后用随附电缆将 其接至用于评估的PC的USB端口。 2. 将EVAL-CN0326-PMDZ的12引脚直角公引脚接头连 接至SDP-PMD-IB1Z的12引脚直角母引脚接头。 3. 在运行图9所示程序之前，将pH探针的BNC端子和RTD 图9. 评估软件主窗口 电源配置 SDP-PMD-IB1Z必须采用6 V直流电源，其跳线JP1应设为 3.3 V，用于驱动EVAL-CN0326-PMDZ。 传感器连接至EVAL-CN0326-PMDZ的端子插孔中。 4. 在接好并打开所有外设和电源之后，在图9所示图形 用户界面上单击Connect(连接)。当PC成功检测到评 估系统时，即可使用图9所示软件对EVAL-CN0326PMDZ电路板进行评估。 Rev. 0 | Page 6 of 7 CN-0326 测试 用Agilent E3631A和Yokogawa GS200精密电压来仿真传感器 输出。Yokogawa的负端子连接至pH传感器所用ADC的负 端子。正端子与电阻串联，接至ADC的正端子，如图8所 示。Yokogawa产生±420 mV电压，然后仿真pH传感器输出， 随后改变串联电阻值，以仿真pH探针的玻璃电极的阻抗， 如图8所示。 用CN-0326评估软件来捕获来自EVAL-CN0326-PMDZ电路 板的数据，所用设置如图8所示。 有关软件使用方法的详细信息可在CN-0326软件用户指南 中找到。 Kester, Walt. 1999. Temperature Sensors. Section 7. Analog Devices. Chen, Baoxing. 2006. iCoupler® Products with isoPower® Technology: Signal and Power Transfer Across Isolation Barrier Using Microtransformers. Analog Devices. Wayne, Scott. 2005. “iCoupler® Digital Isolators Protect RS-232, RS-485, and CAN Buses in Industrial, Instrumentation, and Computer Applications.” Analog Dialogue, Volume 39. Analog Devices (October). Brian Kennedy and Mark Cantrell, Recommendations for Control of Radiated Emissions with iCoupler Devices, Application Note AN-1109, Analog Devices. pH Theory and Practice, Radiometer Analytical, SAS, Villeurbanne Cedex, France. 了解详情 CN-0326 Design Support Package: www.analog.com/CN0326-DesignSupport 数据手册和评估板 MT-004 Tutorial, The Good, the Bad, and the Ugly Aspects of ADC Input Noise—Is No Noise Good Noise? Analog Devices. AD7793 Evaluation Board AD7793 Data Sheet MT-022 Tutorial, ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics, Analog Devices. ADUM5401 Data Sheet ADuM5401 Evaluation Board AD8603 Data Sheet MT-023 Tutorial, ADC Architectures IV: Sigma-Delta ADC Advanced Concepts and Applications, Analog Devices. 修订历史 MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND", Analog Devices. 2013年9月—修订版0： 初始版 MT-035 Tutorial, Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and Rail-to-Rail Issues. Analog Devices. MT-037 Tutorial, Op Amp Input Offset Voltage. MT-038 Tutorial, Op Amp Input Bias Current MT-040 Tutorial, Op Amp Input Impedance MT-095 Tutorial, EMI, RFI, and Shielding Concepts MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices Kester, Walt. 1999. High Impedance Sensors. Section 5. Analog Devices. (Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab circuits. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the Lab circuits are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab circuits at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 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