全自動高性能電導率測量系統參考設計推薦，配套評估板可一鍵加購

圖 1. 高性能電導率測量系統 ( 原理示意圖：未顯示所有連接和去耦 )

電導池的激勵方波通過使用 ADuCM360 微控制器的PWM輸出在+VEXC和?VEXC電壓之間切換 ADG1419 產生。方波必須具有精確的50%占空比和極低直流失調。哪怕很小的直流失調都會在一段時間之后損壞電導池。

+VEXC和?VEXC電壓由 ADA4077-2?算放大器(U9A和U9B)產生，這兩個電壓的幅度由 ADuCM360?的DAC輸出控制，如圖2所示。

圖2. 激勵電壓源

ADA4077-2 失調電壓典型值為15 μV(A級)，偏置電流為0.4 nA，失調電流為0.1 nA，輸出電流最高為±10 mA，壓差低于1.2 V。U9A運算放大器的閉環增益為8.33，可將 ADuCM360 內部DAC輸出(0 V至1.2 V)轉換為0 V至10 V范圍的+VEXC電壓。U9B運算放大器反轉+VEXC，產生?VEXC電壓。選擇R22，使得R22 = R24||R27，以便消除一階偏置電流。由U9A的15 μV失調電壓產生的誤差約為(2 × 15 μV) ÷ 10 V = 3 ppm。因此，反相級產生的主要誤差是R24和R27之間的電阻匹配誤差。

ADG1419?是一個2.1 Ω導通電阻單刀雙擲模擬開關，在±10 V范圍內的導通電阻平坦度為50 m Ω，非常適合從±VEXC電壓產生對稱方波信號。電阻R23將通過傳感器的最大電流限制為10 V/1 k Ω = 10 mA。ADG1419導致的對稱誤差通常為50 m Ω ÷1 k Ω = 50 ppm。

施加到電導池上的電壓V1采用 AD8253 儀表放大器(U15)進行測量。U15正輸入由 ADA4000-1 (U14)緩沖。選擇 ADA4000-1是因為它具有5 pA低偏置電流，可較大程度減少低電導率相關的低電流測量誤差。AD8253?的負輸入不需要緩沖。

同步采樣級可以消除U14和U15的失調電壓，從而不影響測量精度。

U15和U18采用 AD8253 10 MHz、20 V/μs、可編程增益(G = 1、10、100、1000)儀表放大器，增益誤差低于0.04%。AD8253壓擺率為20 V/μs，0.001%建立時間為1.8 μs(G = 1000)。其共模抑制典型值為120 dB。

U19 (ADA4627-1) 級是一個精密電流-電壓轉換器，可將流過傳感器的電流轉換為電壓。這款器件的低偏置電流和低失調電壓性能使其成為該級的理想選擇。120 μV失調誤差產生的對稱誤差僅為120 μV/10 V = 12 ppm。ADA4627-1失調電壓為120 μV(典型值，A級)，偏置電流為1 pA(典型值)，壓擺率為40 V/μs，0.01%建立時間為550 ns。

U22A和U22B (AD8542)緩沖器分別為U18和U15儀表放大器提供1.65 V基準電壓。

下面介紹電壓通道信號路徑上的其余器件(U17A、U17B、U10、U13、U12A和U12B)。電流通道(U17C、U17D、U16、U21、U20A和U20B)的工作情況相同。

ADuCM360能產生PWM0方波開關信號以供ADG1419開關使用，并且還能產生PWM1和PWM2同步信號供同步采樣級使用。電導池的電壓和三個時序波形如圖3所示。

圖3. 電導池電壓和采樣保持時序信號

AD8253 儀表放大器(U15)輸出驅動兩個并行的采樣保持電路；這兩個電路由 ADG1211?開關(U17A/U17B)、串聯電阻(R34/R36)、保持電容(C50/C73)以及單位增益緩沖器(U10/U13)組成。

ADG1211 是一個低電荷注入、四通道單刀單擲模擬開關，工作電源電壓為±15 V，輸入信號最高可達±10 V。開關導致的最大電荷注入為4 pC，產生的電壓誤差僅為4 pC ÷4.7 μF = 0.9 μV。

PWM1信號使U10采樣保持緩沖器可在傳感器電壓的負周期采樣，然后保持直至下一個采樣周期。因此，U10采樣保持緩沖器輸出等于傳感器電壓方波負幅度對應的直流電平。

類似地，PWM2信號使U13采樣保持緩沖器可在傳感器電壓的正周期采樣，然后保持直至下一個采樣周期。因此，U13采樣保持緩沖器輸出等于傳感器電壓方波正幅度對應的直流電平。

采樣保持緩沖器(ADA4638-1)的偏置電流典型值為 45 pA，而 ADG1211開關的漏電流典型值為20 pA。因此，4.7 μF保持電容的最差情況漏電流為65 pA。對于100 Hz激勵頻率而言，周期為10 ms。由于65 pA漏電流而導致的半周期(5 ms)內壓降為(65 pA × 5 ms) ÷ 4.7 μF = 0.07 μV。

ADA4638-1?零漂移放大器的失調電壓典型值僅為0.5 μV，其誤差貢獻可以忽略不計。

信號鏈上位于ADC前面的最后一級是 ADA4528-2 反相衰減器(U12A和U12B)，其增益為?0.16，共模輸出電壓為+1.65 V。ADA4528-2失調電壓典型值為0.3 μV，因此誤差貢獻可以忽略不計。

衰減器級可將±10 V最大信號降低為±1.6 V，共模電壓為+1.65 V。該范圍為與?ADuCM360?ADC輸入范圍相當，即采用3.3 V AVDD電源時為0 V至3.3 V (1.65 V ± 1.65 V)。

衰減器級同樣提供噪聲過濾功能，其?3 dB頻率約為198 kHz。

電壓通道VOUT1的差分輸出施加到?ADuCM360?的AIN2和AIN3輸入端。電流通道VOUT2的差分輸出施加到?ADuCM360?的AIN0和AIN1輸入端。

等式7顯示電導率測量取決于G1、G2和R47，以及VOUT2和VOUT1的比值。因此，ADuCM360 內置的ADC無需使用精密基準電壓源。

AD8253?增益誤差(G1和G2)最大值為0.04%，并且R47選擇0.1%容差的電阻。

從該點開始，VOUT1和VOUT2信號鏈的電阻便決定了總系統精度

軟件將每個AD8253的增益按如下所述進行設置：

系統精度測量

下列4個電阻影響VOUT1電壓通道的精度：R19、R20、R29和R31。

下列5個電阻影響VOUT2電流通道的精度：R47、R37、R38、R48和R52。

假設所有9個電阻均為0.1%容差并包括 AD8253 的0.04%增益誤差，則最差情況下的誤差分析表明誤差約為0.6%。分析內容在 CN-0359 設計支持包中。

在實際應用中，電阻更有可能采取RSS方式進行組合，且正或負信號鏈上的電阻容差導致的RSS誤差為√5 × 0.1% = 0.22%。

使用1 Ω至1 MΩ(1 S至1 ΩS)精密電阻進行精度測量，以仿真電導池。圖4顯示了結果，最大誤差不到 0.1%。

圖4. 系統誤差(%)與電導率(1 μS至1 S)的關系

RTD測量

電導率測量系統精度只有經過溫度補償才能達到最佳。由于常見溶液溫度系數在1%/°C至3%/°C或更高值之間變化，因此必須使用帶有可調溫度補償的測量儀器。溶液溫度系數在某種程度上是非線性的，通常還隨著實際電導率變化。因此，在實際測量溫度下進行校準可以達到最佳精度。

ADuCM360 內置兩個匹配的軟件可配置激勵電流源。它們可單獨配置，提供10 A至1 mA電流輸出，匹配優于0.5%。電流源允許 ADuCM360 針對Pt100或Pt1000 RTD輕松執行雙線式、三線式或四線式測量。在設置過程中，軟件還能自動檢測RTD是否為Pt100或Pt1000。

下文給出了不同RTD配置如何工作的簡化原理圖。所有模式切換均通過軟件實現，無需改變外部跳線設置。

圖5顯示了四線式RTD配置。

每個連接遠程RTD的引腳寄生電阻以RP表示。激勵電流(IEXC)流過1.5 kΩ精密電阻和RTD。片上ADC測量電阻(V7?V8)兩端的電壓。

選擇R13電阻和IEXC激勵電流值，使得AIN7上的ADuCM360最大輸入電壓不超過AVDD ? 1.1 V很重要；否則，IEXC電流源會工作異常。RTD電壓可以使用兩個連接AIN6和AIN5的檢測引腳進行精確測量。輸入阻抗約為2 M(無緩沖模式，PGA增益= 1)，并且流過檢測引腳電阻的電流引起的誤差極小。然后，ADC測量RTD電壓(V6 ? V5)

隨后便可如下所示計算RTD電阻：

測量值是一個比例值，且與精確的外部基準電壓無關，而僅與1.5 kΩ電阻容差有關。此外，四線式配置可消除引腳電阻相關的誤差。

ADuCM360 提供帶緩沖與不帶緩沖的輸入選項。如果激活內部緩沖器，則輸入電壓必須大于100 mV。1 k/36 電阻分壓器能為RTD提供115 mV偏置電壓，允許以緩沖方式工作。在無緩沖模式下，J3端點4可以接地，并連接接地屏蔽，以減少噪聲。

三線式連接是另一種使用廣泛的RTD配置，可消除引腳電阻誤差，如圖6所示。

圖6. 三線式RTD連接配置

第二個匹配的IEXC電流源(AIN5/IEXC)在引腳電阻上形成一個電壓，并與端點3串聯，消除與端點1串聯的引腳電阻上的壓降。因此，測得的V8 ? V5電壓不存在引腳電阻誤差。

圖7顯示了雙線式RTD配置，無引腳電阻補償。

雙線式配置是成本最低的電路，適用于非關鍵型應用、短路RTD連接以及較高電阻RTD(比如Pt1000)等。

電導率理論

材料或液體的電阻率ρ定義為：當立方體形狀的材料反面完全導電接觸時，該材料的電阻。其他形狀材料的電阻R可按以下方式計算：

其中
L是接觸距離
A是接觸面積

電阻率的測量單位為Ωcm。當接觸1 cm × 1 cm × 1 cm立方體的反面時，1 Ωcm材料的電阻為1 Ω。

電導是電阻的倒數，電導率是電阻率的倒數。電導的測量單位為西門子(S)，電導率的測量單位為S/cm、mS/cm或μS/cm。

所有水溶液都在一定程度上導電。向純水中添加電解質，例如鹽、酸或堿，可以提高電導率并降低電阻率。

在此電路筆記中，Y為電導率的通用符號，測量單位為S/cm、mS/cm或μS/cm。但在很多情況下，為了方便起見，我們會省略距離項，電導率僅表示為S、mS或μS。

電導率系統通過電子元件連接到沉浸在溶液中的傳感器(稱為電導池)來測量電導率，如圖8所示。

電子電路對傳感器施加交流電壓，并測量產生的電流大小，電流與電導率相關。由于電導率具有很大溫度系數(最高達到4%/°C)，因此電路中集成了必需的溫度傳感器，用于將讀數調整為標準溫度，通常為25°C (77°F)。對溶液進行測量時，必須考慮水本身的電導率的溫度系數。為了精確地補償溫度，必須使用第二個溫度傳感器和補償網絡。

接觸型傳感器通常包括相互絕緣的兩個電極。電極通常為316型不銹鋼、鈦鈀合金或石墨，具有特定的大小和間距，以提供已知的電導池常數。從理論上說，1.0/cm的電導池常數表示兩個電極，每個電極面積為1 cm2，間距為1 cm。對于特定的工作范圍，電導池常數必須與測量系統相匹配。例如，如果在電導率為1 μS/cm的純水中使用電導池常數為1.0/cm的傳感器，則電導池的電阻為1 MΩ。相反，相同電導池在海水中的電阻為30 Ω，由于電阻比過大，普通儀器很難在僅有一個電導池常數情況下精確測量此類極端情況。

對1 μS/cm溶液進行測量時，電導池配置了大面積電極，相距很小的間距。例如，對于電導池常數為0.01/cm的電導池，其電導池電阻測量值約為10,000 Ω，而非1 MΩ。精確測量10,000 Ω(而非1 MΩ)比較容易；因此，對于超純水和高電導率海水，使用具有不同電導池常數的電導池，測量儀表可在相同的電導池電阻范圍內工作。

電導池常數K定義為電極之間距離L與電極面積A的比值

有兩類電導池：一類采用兩個電極，另一類采用四個電極，如圖9所示。電極通常稱為極點。

雙極點傳感器比較適合低電導率測量時使用，比如純凈水和各種生物與醫藥液體。四極點傳感器更適合高傳導率測量，比如廢水和海水分析。

雙極點電導池的電導池常數范圍大致是從0.1/cm到1/cm，而四極點電導池的電導池常數范圍是從1/cm到10/cm。

四極點電導池可以消除電極極化和場效應引起的誤差；這些誤差可能會干擾測量。

電極的實際配置可以是平行環、同軸導體等，而不會是如圖8所示的簡單平行板。

無論電導池為何種類型，都不可在電極上施加直流電壓，因為液體中的離子會在電極表面聚集，從而導致極化效應并產生測量誤差，更有可能損壞電極。

若采用同軸傳感器，則應當密切關注傳感器屏蔽。屏蔽必須連接與盛放液體的金屬容器相同的電位。如果容器接地，則屏蔽必須連接電路板的接地端(J5的引腳5)。

CN-0359電路允許的可編程激勵電壓范圍為100 mV至10 V，并且R23 (1 kΩ)串聯電阻將最大電導池電流限制為10 mA。最根本的預防措施是不要超過電導池激勵電壓或激勵電流的額定值。

電源電路

為了簡化系統要求，所有必需的電壓(±15 V和+3.3 V)均由4 V至7 V單電源產生，如圖10所示。

ADP2300降壓調節器產生電路板所需的3.3 V電源電壓。該設計基于可供下載的ADP230x降壓調節器設計工具。

ADP1613升壓調節器產生+15 V調節電源電壓以及?15 V未調節電源電壓。?15 V電源電壓采用電荷泵產生。該設計基于 ADP161x 升壓調節器設計工具。

有關電源的選擇與設計詳情請參閱?www.analog.com/ADIsimPower。

采用正確的布局和接地技術以避免開關調節器噪聲耦合至模擬電路。更多詳情，請參考線性電路設計手冊?、數據轉換手冊?、?指南MT-031《實現數據轉換器的接地并解開"AGND"和"DGND"的謎團》和指南MT-101《去耦技術》。

圖11顯示LCD背光驅動器電路。

每半個AD8592 運算放大器均用作60 mA電流源，為LCD背光電流供電。AD8592的源電流和吸電流最大值為250 mA，內置100 nF電容以確保軟啟動。

軟件操作和用戶界面

EVAL-CN0359-EB1Z預加載了進行電導率測量所需的代碼。代碼在CN-0359設計支持包的CN0359-SourceCode.zip文件中。

CN-0359具有直觀且易于使用的用戶界面。所有用戶輸入均來自雙功能按鈕/旋轉編碼器旋鈕。編碼器旋鈕可順時針旋轉或逆時針旋轉(無機械停止)，也可用作按鈕。

圖12是EVAL-CN0359-EB1Z板的照片，顯示了LCD顯示器和編碼器旋鈕位置。

連線后，板上的電導池和RTD上電。LCD屏幕如圖12所示。

按下編碼器旋鈕可進入設置菜單，然后輸入EXC Voltage(EXC電壓)、EXC Frequency(EXC頻率)、TEMP Coecient(溫度系數)以及Cell Constant(電導池常數)，如圖13所示。

旋轉旋鈕可上下移動光標，選定各種參數。

將光標定位在 EXC Voltage(EXC電壓)然后按下旋鈕，直至點擊打開菜單。旋轉旋鈕，將光標定位到待設置數字的第一位數。按下按鈕，光標閃爍。旋轉旋鈕改變數字，待出現所需數字時按下旋鈕。完成所有數字位數的設置后，將光標定位到Save(保存)，然后按下按鈕保存設置。

繼續執行這些操作步驟，設置EXC Frequency(EXC頻率)、TEMP Coeffcient(溫度系數)和Cell Constant(電導池常數)。

完成全部常數的設置后，選擇RETURN TO HOME(返回主屏幕)，然后按下旋鈕。至此，系統準備就緒，可進行測量。

如果輸入允許范圍外的數字，則蜂鳴器鳴響。

如果未正確連接電導池，則屏幕顯示Sensor Incorrect(傳感器不正確)。

如果未正確連接RTD，則屏幕顯示RTD Incorrect use 25°C(RTD不正確，使用25°C)；此時系統依然可以在不連接RTD的情況下執行測量，但使用25°C作為補償溫度。

CN-0359 中的系統采用 ADuCM360 精密模擬微控制器，實 現高度集成的電導率測量。

如果用戶希望采用分立式 ADC ，則AD7794 24-位, Σ-Δ ADC是一個不錯的選擇。

本電路采用 EVAL-CN0359-EB1Z 評估板、外部電源、電導 池和 RTD 。

設備要求

需要以下設備：

設置

執行下列步驟，設置待評估電路：

針對原型開發的連接

根據設計， EVAL-CN0359-EB1Z 需采用 EVAL-CFTL-6V-PWRZ 6 V 電源供電。EVAL-CN0359-EB1Z 僅需電源、外部電導池和 RTD 即可工作。

EVAL-CN0359-EB1Z 還提供 RS-485 連接器 J2 ，允許外部 PC 與此板實現接口。連接器 J4 是一個 J TAG 接口，可用來編程 和調試 ADuCM360 。

圖 14 為典型 PC 連接示意圖，顯示 RS-485 至 RS-232 適配器。

圖 14. 測試設置功能框圖