CN0349 完全隔離式電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

CN0349 經(jīng)驗(yàn)證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度?？梢允褂闷渌?a target='_blank' class='arckwlink_none'>高精度運(yùn)算放大器，取代雙通道版本AD8606?？梢允褂脙蓚€(gè)單通道版本AD8605運(yùn)算放大器，而不是使用AD8606，以便進(jìn)行PCB布局。AD8608是AD8605的四通道版本，在需要額外的精密運(yùn)算放大器時(shí)，可以替代AD8606。AD8601、AD8602和AD8604分別為單通道、雙通道和四通道軌到軌、輸入和輸出、單電源放大器，具有超低失調(diào)電壓和寬信號(hào)帶寬等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608。 AD5933阻抗轉(zhuǎn)換器類似于AD5934，并將片上集成頻率發(fā)生器與12位1 MSPS ADC組合在一起。 ADM3260是一款支持熱插拔的雙通道I2C隔離器，集成了DC-DC轉(zhuǎn)換器，可用于取代ADuM5000和ADuM1250組合。 如果不需要電流隔離，則可將電源和I2C線路直接連接到微處理器。 本電路采用EVAL-CN0349-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z 和 EVAL-SDP-CB1Z 演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。轉(zhuǎn)接板SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z板采用120引腳對(duì)接連接器。轉(zhuǎn)接板SDP-PMD-IB1Z和EVAL-CN0349-PMDZ板采用8引腳IMOD對(duì)接連接器，可快速進(jìn)行設(shè)置和評(píng)估電路性能。EVAL-CN0349-PMDZ板包含要評(píng)估的電路，SDP評(píng)估板與CN-0349評(píng)估軟件一起使用，可從EVAL-CN0349-PMDZ電路板獲取數(shù)據(jù)。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： 帶USB端口的Windows? XP或Windows Vista?(32位)或Windows?7或Windows 8(64位或32位)PC EVAL-CN0349-PMDZ 電路評(píng)估板 EVAL-SDP-CB1Z SDP 評(píng)估板 SDP-PMD-IB1Z 轉(zhuǎn)接板 6 V電源或壁式電源適配器(EVAL-CFTL-6V-PWRZ) CN-0349 評(píng)估軟件 集成Pt100傳感器的電導(dǎo)池(例如，Sensorex CS200TC-PT1) 開始使用 將CN-0349評(píng)估軟件光盤放入PC，加載評(píng)估軟件。用戶也可從CN-0349評(píng)估軟件中下載最新版的評(píng)估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開setup.exe。按照屏幕上的提示完成安裝。建議將所有軟件安裝在默認(rèn)位置。 圖9.測(cè)試設(shè)置功能框圖 圖10. EVAL-CN0349-PMDZ 評(píng)估板照片 功能框圖 電路框圖見圖1，電路原理圖見EVAL-CN0349-PMDZ-AltiumDesignerSchematic.pdf文件。此pdf文件在 CN-0349 設(shè)計(jì)支持包中。測(cè)試設(shè)置的框圖如圖 9所示。 設(shè)置 要正確進(jìn)行設(shè)置，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟： 通過直流管式插孔將 EVAL-CFTL-6V-PWRZ (6 V 直流電源)連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板。 通過120引腳連接器A將SDP-PMD-IB1Z 轉(zhuǎn)接板連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。 過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z SDP板連接到PC。 將EVAL-CN0349-PMDZ評(píng)估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板。通過CN-0349板附帶提供的8引腳接頭IMOD連接器電纜(4引腳MTE電纜，Digilent, Inc.)。 通過J1端子板，將電導(dǎo)池連接到EVAL-CN0349-PMDZ評(píng)估板。EVAL-CN0349-PMDZ板照片如圖10所示。 測(cè)試 啟動(dòng)CN-0349評(píng)估軟件。如果設(shè)備管理器中列出了Analog Devices SDP驅(qū)動(dòng)器，軟件將能與SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發(fā)送、接收、獲取來自EVAL-CN0349-PMDZ板的串行數(shù)據(jù)。有關(guān)如何使用評(píng)估軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)、信息和細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱 CN-0349 軟件用戶指南。 CN0349 圖1中顯示的電路集成了 AD5934 12位阻抗轉(zhuǎn)換器、ADG715 八通道單刀單擲(SPST)開關(guān)、AD8606 軌到軌運(yùn)算放大器、ADuM1250 雙通道I2C隔離器以及 ADuM5000隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，形成用于電導(dǎo)率測(cè)量的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該電路具有板載8引腳IMOD連接器，可用于連接客戶微處理器或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。 AD5934是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案，片上集成一個(gè)可編程直接數(shù)字頻率合成器(DDS)和一個(gè)12位、250 kSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)?？烧{(diào)頻率發(fā)生器產(chǎn)生已知頻率來激勵(lì)外部復(fù)阻抗。片上DAC監(jiān)控未知阻抗的電壓和電流。 AD5933 是與1 MSPS ADC類似的器件。片上數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)引擎計(jì)算離散傅里葉變換(DFT)。DFT算法在每個(gè)輸出頻率返回一個(gè)實(shí)部(R)數(shù)據(jù)字和一個(gè)虛部(I)數(shù)據(jù)字。 選擇AD8606運(yùn)算放大器的原因是該器件具有低失調(diào)電壓(最大值65 μV)、低偏置電流(最大值1 pA)和低噪聲(最大值12 nV/√Hz)等特性。 ADG715 是一款互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、8通道單刀單擲開關(guān)，通過雙線串行接口控制，該接口可兼容I2C接口標(biāo)準(zhǔn)。該器件的功耗較低，具有2.7 V至5.5 V的低工作電源范圍和低導(dǎo)通電阻(通常為2.5 Ω)，采用小型24引腳TSSOP封裝，因而成為諸多應(yīng)用的理想之選。 ADuM5000是一款隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有3.3 V或5 V輸出，基于ADI公司的isoPower?技術(shù)，采用16引腳SOIC封裝。 ADuM1250是一款支持熱插拔的數(shù)字隔離器，提供非閂鎖雙向通信通道，且與I2C接口兼容，基于ADI公司的iCoupler芯片級(jí)變壓器技術(shù)，采用8引腳SOIC封裝。 電導(dǎo)率理論 材料或液體的電阻率ρ定義為：當(dāng)立方體形狀的材料反面完全導(dǎo)電接觸時(shí)，該材料的電阻。其他形狀材料的電阻可按以下方式計(jì)算： R = ρL/A 其中： L是接觸距離。 A是接觸面積。 電阻率的測(cè)量單位為Ω cm。當(dāng)接觸1 cm × 1 cm × 1 cm立方體的反面時(shí)，1 Ω cm材料的電阻為1 Ω。 電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。 所有水溶液都在一定程度上導(dǎo)電。溶液導(dǎo)電能力的測(cè)量指標(biāo)稱為電導(dǎo)，它是電阻的倒數(shù)。電導(dǎo)的測(cè)量單位為西門子(縮寫為“S”)。向純水中添加電解質(zhì)，例如鹽、酸或堿，可以提高電導(dǎo)并降低電阻。電阻率表示為Ω cm，電導(dǎo)率表示為S/cm、mS/cm或μS/cm。 在此電路筆記中，我們使用Y作為電導(dǎo)率的通用符號(hào)，測(cè)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(huì)省略距離項(xiàng)，電導(dǎo)率僅表示為S、mS或μS。 電導(dǎo)率系統(tǒng)通過連接到沉浸在溶液中傳感器的電子元件來測(cè)量電導(dǎo)。分析儀電路對(duì)傳感器施加交流電壓，并測(cè)量產(chǎn)生的電流大小，電流與電導(dǎo)率相關(guān)。由于電導(dǎo)率具有很大溫度系數(shù)(最高達(dá)到4%/°C)，因此電路中集成了必需的溫度傳感器，用于將讀數(shù)調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)溫度，通常為25°C (77°F)。對(duì)溶液進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須考慮水本身的電導(dǎo)率的溫度系數(shù)。為了精確地補(bǔ)償溫度，必須使用第二個(gè)溫度傳感器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 電導(dǎo)率傳感器 接觸型傳感器通常包括相互絕緣的兩個(gè)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(dǎo)池常數(shù)。從理論上說，1.0/cm的電導(dǎo)池常數(shù)表示兩個(gè)電極，每個(gè)電極面積為1平方厘米，間距為1厘米。對(duì)于特定的工作范圍，電導(dǎo)池常數(shù)必須與分析儀相匹配。例如，如果在電導(dǎo)率為1 μS/cm的純水中使用電導(dǎo)池常數(shù)為1.0/cm的傳感器，則電導(dǎo)池的電阻為1 MΩ。相反，相同電導(dǎo)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(gè)電導(dǎo)池常數(shù)情況下精確測(cè)量此類極端情況。 對(duì)1 μS/cm溶液進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電導(dǎo)池配置了很大的電極，相距很小的間距。例如，對(duì)于電導(dǎo)池常數(shù)為0.01/cm的電導(dǎo)池，結(jié)果是電導(dǎo)池電阻大約為10,000 Ω，可以非常精確地測(cè)量。因此，對(duì)于超純水和高電導(dǎo)率海水，使用具有不同電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)池，測(cè)量儀表可在相同的電導(dǎo)池電阻范圍內(nèi)工作。 溫度補(bǔ)償 電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)精度只有經(jīng)過溫度補(bǔ)償才能達(dá)到最佳。由于常見溶液溫度系數(shù)在1%/°C至3%/°C或更高值之間變化，因此必須使用帶有可調(diào)溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量儀器。溶液溫度系數(shù)在某種程度上是非線性的，通常還隨著實(shí)際電導(dǎo)率變化。因此，在實(shí)際測(cè)量溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)可以達(dá)到最佳精度。 圖1顯示的電路可實(shí)現(xiàn)精確的電導(dǎo)率測(cè)量，從較低的μS到幾百mS的范圍，它還優(yōu)化了 AD5934 在很大導(dǎo)納范圍內(nèi)的整體精度。此外還集成了使用Pt100電阻溫度檢測(cè)器(RTD)的溫度測(cè)量功能。該電路可以使用8引腳IMOD(I2C接口)連接器來連接到微處理器評(píng)估板，以實(shí)現(xiàn)快速原型開發(fā)(Digilent Pmod?規(guī)格)。 該電路主要由四個(gè)模塊組成。第一個(gè)模塊是阻抗到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，包含：AD5934(U3)阻抗轉(zhuǎn)換器；用于將交流信號(hào)偏置至VDD/2的跟隨器( AD8606的一半，U2A)；使用AD8606的另一半的電流電壓轉(zhuǎn)換器配置U2B。有關(guān)AD5934工作的詳細(xì)信息參見 電路筆記CN-0217 和AD5934數(shù)據(jù)手冊(cè)。 第二個(gè)模塊是可編程電阻反饋(R6、R8、R9)和校準(zhǔn)電路(R3、R4、R7)以及8通道單刀單擲開關(guān) ADG715 (U1)。它通過I2C串行接口控制ADG715，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍和校準(zhǔn)程序。 第三個(gè)模塊是ADuM1250(U5)熱插拔數(shù)字隔離器，用于將串行數(shù)據(jù)從AD5934(U3)傳輸?shù)絀MOD CON (J2)。第四個(gè)模塊是ADuM5000(U4)，它是隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有3.3 V的輸出電壓，為電路提供電源。 但是，第三個(gè)模塊和第四個(gè)模塊是可選的，它們提供電路和微處理器評(píng)估板之間的電流隔離。除非必須隔離，否則這兩個(gè)模塊不是必需的。 該電路使用CON1 (J1)連接器連接到帶有內(nèi)置Pt100 RTD溫度傳感器的電導(dǎo)池。 利用一個(gè)穩(wěn)定的低抖動(dòng)FXO-HC536R-1 (U6)石英晶體振蕩器，將施加于MCLK引腳的時(shí)鐘頻率設(shè)置為1 MHz。此隔離器讓AD5934能夠激勵(lì)頻率為2 kHz的電導(dǎo)池，非常適合電導(dǎo)率測(cè)量。 電路設(shè)計(jì) 圖2顯示了電路中使用的電導(dǎo)率和溫度測(cè)量的優(yōu)化信號(hào)鏈。AD5934具有四個(gè)可編程輸出電壓范圍。每個(gè)范圍都有對(duì)應(yīng)的輸出阻抗。例如，1.98 V p-p輸出電壓的輸出阻抗一般為200 Ω(參見AD5934數(shù)據(jù)手冊(cè))。輸出阻抗會(huì)影響阻抗測(cè)量精度，在低ohm范圍內(nèi)尤為突出。在信號(hào)鏈內(nèi)的簡易緩沖器可防止輸出阻抗影響未知的阻抗測(cè)量。應(yīng)選擇低輸出阻抗放大器，保證足夠的帶寬來適應(yīng)AD5934的激勵(lì)頻率。針對(duì) AD8605/ AD8606/ AD8608 系列的CMOS運(yùn)算放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)的低輸出阻抗示例如圖2所示。在增益為1時(shí)，此放大器的輸出阻抗小于1 Ω(最高100 kHz)，這是AD5934的最高工作范圍。 圖2.電導(dǎo)率和溫度測(cè)量的優(yōu)化信號(hào)鏈 AD5934中的四個(gè)可編程輸出電壓范圍具有四個(gè)關(guān)聯(lián)的偏置電壓(參見AD5934數(shù)據(jù)手冊(cè))。例如，1.98 V p-p激勵(lì)電壓需要1.48 V的偏置。但是，AD5934的電流電壓(I-V)接收級(jí)設(shè)置為固定偏壓VDD/2。因此，對(duì)于3.3 V電源，發(fā)射偏壓為1.48 V，而接收偏壓為3.3 V/2 = 1.65 V。此電位差會(huì)引起測(cè)試溶液YX極化，并可導(dǎo)致電導(dǎo)率測(cè)量不準(zhǔn)確。一種解決方案是添加一個(gè)在低Hz范圍內(nèi)具有轉(zhuǎn)折頻率的簡單高通濾波器(參見電路筆記CN-0217)。消除發(fā)射級(jí)的直流偏置，并將交流信號(hào)重新偏置至VDD/2，在整個(gè)信號(hào)鏈中保持直流電平恒定。R1和R5(10 kΩ)兩者均使用精度0.1%的電阻作為偏置電阻以減少誤差。 AD5934的I-V放大級(jí)還可能輕微增加信號(hào)鏈的誤差。I-V轉(zhuǎn)換級(jí)易受放大器的偏置電流、失調(diào)電壓和共模抑制比(CMRR)影響。通過選擇適當(dāng)?shù)耐獠糠至⒎糯笃?U2B)來執(zhí)行I-V轉(zhuǎn)換，可以提高精度。選擇AD8606的原因是該器件具有低失調(diào)電壓(最大值65 μV)、低偏置電流(最大值1 pA)、高CMRR(通常為95 dB)、低噪聲(最大值12 nV/√Hz)等特性。該內(nèi)部放大器隨后可配置成一個(gè)簡單的反相增益級(jí)。如 AN-1252 應(yīng)用筆記中所述，RFB仍根據(jù)系統(tǒng)的整體增益來選擇。I-V轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出必須精確偏置為VDD/2。R12和R13(10 kΩ)兩者均使用精度0.1%的電阻作為偏置電阻。 精度很大程度上取決于未知阻抗范圍(電導(dǎo)率范圍)相對(duì)于校準(zhǔn)電阻RCAL的大小幅度(參見電路筆記CN-0217和應(yīng)用筆記AN-1252)。選擇接近未知阻抗的RCAL可實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量，即以RCAL為中心的未知阻抗范圍越小，測(cè)量精度越高。因此，對(duì)于較大的未知阻抗范圍，可在各種RCAL電阻之間切換，如圖2中所示。在RCAL增益系數(shù)計(jì)算期間可通過校準(zhǔn)消除開關(guān)的導(dǎo)通電阻(RON)誤差。使用不同反饋電阻(RFB)值(見圖2)可優(yōu)化ADC所獲得信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。 為了改進(jìn)圖1中所示的大范圍電導(dǎo)的精度，使用三個(gè)校準(zhǔn)電阻RCAL(100 Ω、1 kΩ和10 kΩ)、兩個(gè)反饋電阻RFB(100 Ω和10 kΩ)，由軟件和 ADG715 八通道開關(guān)控制。電路設(shè)置為在兩個(gè)范圍內(nèi)運(yùn)行： 低范圍：μS至mS，RFB = 1 kΩ，RCAL = 1 kΩ 和 10 kΩ 高范圍：mS 至S， RFB = 100 Ω，RCAL = 100 Ω 和 1 kΩ 使用這兩個(gè)范圍，整體測(cè)量范圍為25 μS t 至200 mS，精度高于1% FSR，如測(cè)試數(shù)據(jù)所示?？梢赃x擇RCAL和RFB的其他值以覆蓋不同的范圍。 CN-0349 評(píng)估軟件 允許電路在三種模式下工作。在模式1(圖2中開關(guān)的位置1)中，低范圍和高范圍的校準(zhǔn)程序都是自動(dòng)執(zhí)行的。在模式2(圖2中開關(guān)的位置2)中，溶液的溫度測(cè)量使用外部Pt100 RTD溫度傳感器自動(dòng)執(zhí)行。在模式3(圖2中開關(guān)的位置3)中，測(cè)量溶液的實(shí)際電導(dǎo)率。 校準(zhǔn)程序 對(duì)于圖1顯示的電路，校準(zhǔn)程序使用三個(gè)精密電阻RCAL(R3 =100 Ω、R4 = 1 kΩ和R7 = 10 kΩ)進(jìn)行三點(diǎn)校準(zhǔn)，最大程度地減小失調(diào)和增益誤差，在每個(gè)范圍內(nèi)使系統(tǒng)線性化。對(duì)于每個(gè)范圍，校準(zhǔn)程序在輸入范圍的開頭和末尾執(zhí)行，使用兩個(gè)參考信號(hào)(校準(zhǔn)電阻)YL和YH，如圖3所示。參考信號(hào)的值預(yù)加載在微控制器的存儲(chǔ)器中，也可以通過鍵盤輸入。 對(duì)于低范圍校準(zhǔn)點(diǎn)，參考信號(hào)是YL(例如，YL= 1/R7 =1/10000 Ω = 0.1 mS)。當(dāng)參考信號(hào)YL連接時(shí)，將獲取與參考信號(hào)YL相對(duì)應(yīng)的代碼NL(幅值ML)。同樣，對(duì)于高范圍校準(zhǔn)點(diǎn)，參考是信號(hào)YH(例如，YH= 1/R4 = 1/1000 Ω = 1 mS)。當(dāng)參考信號(hào)YH連接時(shí)，將獲取與參考信號(hào)YH相對(duì)應(yīng)的代碼NH(幅值MH)。 圖3.電導(dǎo)率測(cè)量的兩點(diǎn)校準(zhǔn) 然后按照公式1計(jì)算增益系數(shù)(GF) 系統(tǒng)的失調(diào)(NOS)可通過參考圖3確定，并按照公式2計(jì)算。 在測(cè)量模式中，未知輸入信號(hào)(YX)在代碼(NX)中轉(zhuǎn)換，并按照公式3計(jì)算。 對(duì)于高范圍，程序是相同的，但參考信號(hào)如下：YL = 1/R4 = 1/1000 Ω = 1 mS，YH = 1/R3 = 1/100 Ω = 10 mS。 為了在低電導(dǎo)范圍(高電阻)內(nèi)實(shí)現(xiàn)更寬的測(cè)量范圍，我們使用 AD5934的2 V p-p激勵(lì)輸出電壓。為了在高電導(dǎo)范圍(低電阻)內(nèi)擴(kuò)大測(cè)量范圍，在保持2 V p-p激勵(lì)輸出電壓的同時(shí)，還串行連接了一個(gè)精密電阻R2 = 100 Ω，具有未知電導(dǎo)YX。可以使用其他輸出電壓范圍來優(yōu)化高電導(dǎo)范圍(低電阻)內(nèi)的ADC動(dòng)態(tài)范圍，如 電路筆記CN-0217 和 應(yīng)用筆記 AN-1252中所示。 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果 使用圖1中的校準(zhǔn)值和反饋電阻，按照“電路設(shè)計(jì)”部分和“校準(zhǔn)程序”部分中所述，我們進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。 表1、表2和表3顯示了低范圍模式和高范圍模式下的結(jié)果。表4、表5和表6顯示了每個(gè)范圍的相對(duì)誤差和相應(yīng)讀數(shù)。具有0.1%或0.2%容差的精密非感性電阻定義了輸入(未知電導(dǎo)YX)。表中使用的符號(hào)定義如下： RX：參考電阻 YX：計(jì)算的參考電導(dǎo)率 YR：測(cè)量的電導(dǎo)率(讀數(shù)) RR：測(cè)量的電阻(讀數(shù)) RR：校正的電阻 = RR – RR (對(duì)于 RX = 0) 低范圍電導(dǎo)率測(cè)量 表1顯示了低范圍測(cè)量的結(jié)果，圖4顯示了范圍的相對(duì)誤差百分比以及讀數(shù)的相對(duì)誤差百分比。在從25 μS到2500 μS的低范圍中，讀數(shù)的誤差百分比不超過0.5%。 圖4.低范圍內(nèi)(從25 μS到2.5 mS)的相對(duì)誤差 表1.從25 μS 至2.5 mS 的低范圍測(cè)量數(shù)據(jù)， RFB = 1 k?，RCAL1 = 1 k?，RCAL2 = 10 k? RX(?) YX(mS/cm) YR(mS/cm) RR(?) 范圍誤差百分比 讀數(shù)誤差百分比 400 2.5000 2.49600 400.6 -0.1600 -0.160 549 1.8215 1.82240 548.7 +0.0363 +0.050 649 1.5408 1.54100 648.9 +0.0067 +0.011 820 1.2195 1.21900 820.3 -0.0205 -0.042 1000 1.0000 0.99960 1000.4 -0.0160 -0.040 1300 0.7692 0.76860 1301.1 -0.0252 -0.082 2210 0.4525 0.45220 2211.4 -0.0115 -0.064 4700 0.2128 0.21240 4708.1 -0.0146 -0.172 6120 0.1634 0.16380 6105.0 +0.0161 +0.246 9090 0.1100 0.10950 9132.4 -0.0204 -0.465 10100 0.0990 0.09905 10095.9 +0.0016 +0.040 20300 0.0493 0.04908 20374.9 -0.0072 -0.368 29800 0.0336 0.03371 29664.8 +0.0061 +0.456 39700 0.0252 0.02508 39872.4 -0.0044 -0.432 高范圍電導(dǎo)率測(cè)量 表2顯示了高范圍測(cè)量的結(jié)果，圖5顯示了范圍的相對(duì)誤差百分比以及讀數(shù)的相對(duì)誤差百分比。在從0.2 mS到200 mS的高范圍中，讀數(shù)的誤差百分比不超過3%。 圖5.高范圍內(nèi)(從0.2 mS到200 mS)的相對(duì)誤差 軟件 (CN-0349 評(píng)估軟件) 可以進(jìn)行此校正。校正之后，從0.2 mS到200 mS范圍的誤差百分比小于1%(參見圖6)。 圖6.從0.2 mS至200 m的高范圍內(nèi)的測(cè)量相對(duì)誤差，校正電阻失調(diào)(0.1903 Ω)之后 表3顯示了表2的結(jié)果，0.1903 Ω的電阻失調(diào)已校正。RR列在表3中已經(jīng)校正，通過從表2中的RR列減去0.1903 Ω得出。 表2.從0.2 mS至200 mS的高范圍測(cè)量數(shù)據(jù)，RFB = 100 ?，RCAL1 = 100 ?，RCAL2 = 1 k? RX(?) YX(mS/cm) YR(mS/cm) RR(?) 范圍誤差百分比 讀數(shù)誤差百分比 0 ∞ 5255 0.1903 不適用 不適用 1 1000.0000 809.4 1.2355 -95.3000 -19.06 5 200.0000 193.9 5.1573 -3.0500 -3.05 10 100.0000 99.1 10.09? -0.4500 -0.90 20 50.0000 49.99 20.00 -0.0050 -0.02 50 20.0000 20.1 49.75? +0.0500 +0.50 100 10.0000 9.99 100.10 -0.0050 -0.10 200 5.0000 5.004 199.84 +0.0020 +0.08 500 2.0000 2.004 499.00 +0.0020 +0.20 1000 1.0000 1.001? 999.00 +0.0005 +0.10 1300 0.7692 0.7681 1301.91 -0.0006 -0.15 2210 0.4525 0.4533 2206.04 +0.0004 +0.18 4700 0.2128 0.2116 4725.90 -0.0006 -0.55 6120 0.1634 0.1641 6093.85 +0.0004 +0.43 表3.從0.2 mS至200 mS 的高范圍，電阻失調(diào)(0.1903 Ω)已校正，RFB = 100 ?，RCAL1 = 100 ?，RCAL2 = 1 k? RX(?) YX(mS/cm) YR(mS/cm) RR(?) RR(?)已校正 范圍誤差百分比 讀數(shù)誤差百分比 0 ∞ 5255 0.1903 0 不適用 不適用 1 1000.0000? 809.4 1.2355 1.045 -95.3000 -19.06 5 200.0000 193.9 5.1573 4.967 -3.0500 -3.05 10 100.0000 99.1 10.09 9.901 -0.4500 -0.90 20 50.0000 49.99 20.00 19.81 -0.0050 -0.02 50 20.0000 20.1 49.75 49.56 +0.0500? +0.50 100 10.0000 9.99 100.10 99.91 -0.0050 -0.10 200 5.0000 5.004 199.84? 199.65 +0.0020 +0.08 500 2.0000 2.004 499.00 498.81 +0.0020 +0.20 1000 1.0000 1.001 999.00 998.81 +0.0005 +0.10 1300 0.7692 0.7681 1301.91 1301.72 -0.0006 -0.15 2210 0.4525 0.4533 2206.04 2205.85 +0.0004 +0.18 4700 0.2128 0.2116 4725.90 4725.71 -0.0006 -0.55 6120 0.1634 0.1641 6093.85 6093.65 +0.0004 +0.43 表4.標(biāo)準(zhǔn)氯化鉀(KCl)溶液的電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果，使用圖1中顯示的電路 測(cè)量 標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)池電導(dǎo)率 單位 標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液(電導(dǎo)率值) 0.1469 0.2916 0.7182 1.408 12.85 111.3 mS/cm 電導(dǎo)率讀數(shù) 0.1471 0.2923 0.7215 1.415 12.93 109.8? mS/cm 讀數(shù)誤差 0.14 0.22 0.46 0.5 0.62 1.35 % 使用電導(dǎo)池的電導(dǎo)率測(cè)量 表4顯示對(duì)以下六種0.1%精度標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液進(jìn)行的電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果：0.1469 mS/cm、0.2916 mS/cm、0.7182 mS/cm、1.408 mS/cm、12.85 mS/cm和111.3 mS/cm。 使用的電導(dǎo)池是Sensorex CS200TC-PT1，其電導(dǎo)池常數(shù)等于1/cm，帶有內(nèi)置的Pt100 RTD溫度傳感器。 標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液在專門的保加利亞實(shí)驗(yàn)室中配制，用作數(shù)據(jù)點(diǎn)來檢查系統(tǒng)。當(dāng)電導(dǎo)池的電導(dǎo)池常數(shù)未知時(shí)，也可以使用標(biāo)準(zhǔn)溶液作為校準(zhǔn)點(diǎn)，而不是使用校準(zhǔn)電阻。 有關(guān)電導(dǎo)率測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)溶液的更多信息，請(qǐng)參閱Shreiner,R.H和Pratt, K.W的《電解電導(dǎo)率的主要標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)參考材料》(2004)，NIST特別出版物260-142。 PCB布局考慮 在任何注重精度的電路中，必須仔細(xì)考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB必須盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。該系統(tǒng)的PCB采用簡單的雙層板堆疊而成，但采用4層板可以得到更好的電磁干擾/射頻干擾(EMI/RFI)性能。有關(guān)布局和接地的詳細(xì)論述，請(qǐng)參見 MT-031 指南； 有關(guān)去耦技術(shù)的更多信息，請(qǐng)參見 MT-101 指南 。采用10 μF和0.1 μF電容對(duì)AD8606電源去耦，以適當(dāng)抑制噪聲并減小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)器件，0.1 μF電容應(yīng)具有低有效串聯(lián)電阻(ESR)值。對(duì)于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。ADuM5000和ADuM1250 iso Power器件要求在輸入和輸出電源引腳上進(jìn)行電源旁路。請(qǐng)注意，低ESR旁路電容必須盡可能靠近芯片焊盤。需要并聯(lián)至少兩個(gè)電容，以抑制噪聲并減少紋波。對(duì)于VDD1和VISO，推薦的電容值是0.1 μF和10 μF，它們適用于ADuM5000和ADuM1250。較小的電容必須具有低ESR，例如陶瓷電容。低ESR電容末端到輸入電源引腳的走線總長不得超過2 mm。如果旁路電容的走線長度超過2 mm，可能會(huì)破壞數(shù)據(jù)。 更多信息參見ADuM5000數(shù)據(jù)手冊(cè)和ADuM1250數(shù)據(jù)手冊(cè)。 有關(guān)完整文檔包，包括原理圖、電路板布局和物料清單(BOM)，請(qǐng)參考 www.analog.com/CN0349-DesignSupport。 設(shè)置和編程 EVAL-CN0349-PMDZ 使用 CN-0349 評(píng)估軟件 執(zhí)行校準(zhǔn)程序，并從電導(dǎo)池采集數(shù)據(jù)。圖7顯示了軟件的校準(zhǔn)窗口。單擊“Calibrate”可初始化校準(zhǔn)程序。該軟件通過控制ADG715八通道開關(guān)，自動(dòng)執(zhí)行三點(diǎn)校準(zhǔn)程序。為了正確執(zhí)行校準(zhǔn)程序，必須在三個(gè)校準(zhǔn)電阻指標(biāo)中填寫正確的值。在自動(dòng)校準(zhǔn)程序中，軟件在三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并將校準(zhǔn)系數(shù)(增益系數(shù)G和系統(tǒng)失調(diào)NOS)存儲(chǔ)在軟件存儲(chǔ)器中，如“校準(zhǔn)程序”部分中所述。針對(duì)兩個(gè)測(cè)量范圍，計(jì)算兩個(gè)不同的校準(zhǔn)系數(shù)，并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中(G1和G2，NOS1和NOS2)。執(zhí)行測(cè)量時(shí)，會(huì)根據(jù)選定的范圍，選擇相應(yīng)的增益系數(shù)和系統(tǒng)失調(diào)。 圖7.CN-0349軟件校準(zhǔn)窗口 圖8顯示了該軟件的主窗口，其中顯示了不同的測(cè)量結(jié)果。根據(jù)選擇的范圍，可以執(zhí)行測(cè)量，并獲取輸入阻抗、電導(dǎo)率、溫度和補(bǔ)償電導(dǎo)率溫度的值。要正確顯示結(jié)果，必須正確選擇探頭校正的數(shù)據(jù)。 圖8.CN-0349評(píng)估軟件窗口 電導(dǎo)池常數(shù)必須與用于測(cè)量的常數(shù)相同。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)池，此常數(shù)通常在0.01/cm至10/cm之間。 失調(diào)指標(biāo)用于失調(diào)校正，用mS/cm表示的失調(diào)值來更改測(cè)量值。 必須根據(jù)測(cè)量的溶液來選擇溫度系數(shù)。當(dāng)此系數(shù)的值設(shè)置為0%/°C時(shí)，則不執(zhí)行溫度補(bǔ)償。 完全隔離式電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 圖1顯示的電路提供了完整可靠的數(shù)據(jù)采集解決方案，用于測(cè)量被測(cè)物的電導(dǎo)，包括溫度校正。此電路非常適合測(cè)量液體的離子含量，以及進(jìn)行水質(zhì)分析和化學(xué)分析。 該設(shè)計(jì)針對(duì)高精度和低成本優(yōu)化，僅使用5個(gè)有源器件。校準(zhǔn)后，該電路總誤差小于1% FSR。所有器件均具有小尺寸，因此該電路非常適合注重印刷電路板(PCB)空間的應(yīng)用。該電路的數(shù)字輸出是完全隔離的；因此，該電路不存在接地環(huán)路干擾問題，非常適合在惡劣工業(yè)環(huán)境下使用。 圖1.用于電導(dǎo)率測(cè)量的完全隔離式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(簡化原理圖：未顯示所有引腳、連接和去耦) CN0349 CN0349

• 電導(dǎo)率測(cè)量精度達(dá)1%
• 小型PCB
• 完全隔離

(analog)