今天這個東西呢，也是ADI的U的二次封裝的產品，但是做了一些有趣的設計，所以來分析，以及我也要設計類似的東西。

Emstat pico ADuCM355電化學模組詳細解讀這篇是去年的分析文章。

為了使電化學傳感器工作，需要搭建的電路系統被稱為恒電位電路。以三端式電化學氣體傳感器為例，如圖所示。需要搭建的電路包括偏置電壓源、電位保持、電流轉電壓、濾波、模數轉換等，再送入MCU中進行數據處理。

ADC電路之前的信號為TIA電路轉換的電壓信號，與氣體的濃度值成比例變化，根據傳感器的氧化或還原反應，TIA電路轉換的電壓可能正向變化，也可能反向變化。

整體電路的元器件包含了精密運放、精密電阻、高性能ADC等，每個部位的電路設計都有其理論支撐，對工程師的模擬信號電路知識儲備要求高。

最基本和常用的測量原理是基于恒電勢器。如圖所示，恒電勢器測量和控制工作電極（WE）和參考電極（RE）之間的電壓。通過調節流過計數器或輔助電極的電流，工作電極的電勢相對于參考電極保持恒定。

最簡單的電流測量方法是對傳感器施加偏置電壓并測量響應電流。其中，在RE和WE之間施加一個恒定電壓，然后使用電流-電壓轉換器和模數轉換器（ADC）將電流剖面轉換為數字信號。

大多數用于所述測量的傳感器可以通過ADuCM355輸入直接操作。例如，用于恒電勢器測量，如血糖測量。

與此相對，實現更準確的測量（例如電導率和pH值）需要用到擴展信號鏈，所以也需要采用外部芯片，例如LTC6078。

這個也是后面模塊的一個選型，以及溫度傳感器也是后面選型的一個關鍵。

這個運放它增加了輸入阻抗，以適應傳感器的高輸出阻抗，從而獲得準確的讀數。

除了前面描述的測量以外，還需要測量溫度，以補償傳感器的波動。擴展測量原理如上圖所示。

借助較大的信號鏈，ADuCM355可以讀取電壓和電流值。在所示的電路中，可以檢測到范圍小于100?至10M?的阻抗。較大的測量范圍可以覆蓋醫療領域所需的整個阻抗圖譜。

而且是話說回來，集成器件也做不?。?/p>

展示一個我手工焊接的測量器件

這個是集成器件設計的開發板

接下來看他們做的這個模塊:

模塊為2*2cm尺寸的郵票孔模塊形式、通過串口交互數據，易于集成和使用。

模塊采用3.3V供電，常規工作電流為5mA，在低功耗或休眠情況下消耗電流僅為幾uA

對于電化學又時候要長時間測量，這個低功耗是確實有用的。

郵票孔設計是宜于表面貼裝

對于接口，就控制串口和燒錄SWD

這個上面也有更詳細的介紹，而且看這個表面，外圍的原件很少

這里看，功能接口，阻抗測量+PH+電導率+模擬電壓+EIS

因為這個功能有助于后面分析集成的芯片的作用。

MCUM355的板上包含1只ADUCM355芯片、1只LTC6078高阻運放、1只SHT31型號的溫濕度傳感器、以及一些必要的外圍被動器件。

這個圖是我們分析的重點，而且上面都寫了一些重要的符號，讓我這個練習快一年的工程師分析一下。

這么多的接口怎么看？數據手冊是我們最終的歸宿~

AIN5，6+Vzero6

然后看這個，沒有看到AIN5，是0，不是1

在這里

這次看懂了，就是拓展了ADC的信號鏈

這里第一組測量

第二組

引出了三個ADC，AIN2是單獨輸出的

校準

在這里

好，加了個小傳感器

SHT31是一款精密溫濕度傳感器，在氣體探測場景中，溫濕度可以作為環境指標擴充和結果校正依據。

也就是說，這個是精密的參考電阻

此外，板上還設置了若干精密電阻，用于ADUCM355的內部模擬電路校正，以及作為水質測量過程的參照電阻。

這個是常規的接口

也就是這里

還有一種常用的氣體傳感器為PID或MOS原理，它輸出的是單端電壓信號，此時只需將該傳感器輸出引腳接入MCUM355模塊的AIN端。

套件采用了2只電化學氣體傳感器和1只PID傳感器，測量氧氣、CO、TVOC三種氣體濃度指標，是單個MCUM355模塊能夠支持的最多氣體傳感器數量。

接下來的內容是重要的，也是需要甄別的內容：

搭建水質檢測應用時，主要是基于單模塊實現水溫、pH值、ORP值、電導率4種參數的測量。

傳感器連接方案如圖所示，水溫傳感器連接電化學1通道，水溫傳感器的原理是熱電阻，這種方式利用的是其恒電位電路間接測量電阻值的原理。

pH電極連接的是模塊上專用的通道，主要是由于其高阻輸出的特性，同時pH電極也能夠反映被測液體的ORP值。（氧化還原反應電位）

電導率探頭通常與電導率儀一起使用，是一種用于測量溶液電導率的設備。溶液的電導率表明其導電能力，并且與溶液中離子濃度直接相關。

對于電導率電極，其陽極端連接模塊的電化學0通道，陰極端可連接電化學0通道或專用高阻通道，這取決于被測液體的阻抗范圍：

如果是低阻液體（導電性強），則可連接電化學0通道的WE0引腳

如果是高阻液體（導電性弱），則需要如圖所示連接高阻接口。

這就是高阻接口

低阻液體（導電性強）：

陽極端：連接到模塊的電化學0通道。

陰極端：連接到電化學0通道的WE0引腳（工作電極）。

這種情況下，由于液體的導電性強，電流容易通過，因此可以使用標準的電化學通道來進行測量。低阻液體通常意味著較高的離子濃度，例如鹽水或酸堿溶液等。

高阻液體（導電性弱）：

陽極端：仍然連接到模塊的電化學0通道。

陰極端：連接到專用的高阻通道。

在高阻液體中，由于離子濃度低，導電性較弱，電流更難通過，這可能導致測量不穩定或準確度下降。

因此，采用專用的高阻通道可以提高測量的準確性和穩定性。高阻通道通常具有更高的輸入阻抗和專門的電路設計，以優化對低電流的測量。也就是我接下來要說的。

也就是小電流的測量，高阻而且微弱電流，然后呢？是不是需要TIA呀！

我化學學的最不好了，現在出來當人了。。。

其中陽極通常指電流流入電池或電解池的端點，而陰極則是電流流出的端點。

陽極（Anode）：

作用：在直流電場中，陽極是電流進入電解液的地方。在電導率測量中，陽極通常是連接到電流源的電極，負責向液體中輸入電流。

電化學反應：在電解過程中，陽極通常發生氧化反應，即電子的釋放。

陰極（Cathode）：

作用：陰極是電流從電解液流出的地方。在電導率測量中，它通常接收從陽極通過液體傳輸過來的電流。

電化學反應：在電解過程中，陰極通常發生還原反應，即電子的獲取。

在電導率探頭中，這兩個電極共同工作來完成電導率測量。通過電極施加一個小的交流電（以避免極化），電流會通過液體從陽極流向陰極。電導率探頭測量這個電流的強度或相應的電壓變化，以確定溶液的電導率。

OK，這里要說的是電路的精華部分，如果說錯了，請馬上來和我確認。

LTC6078 是ADI公司的一款高阻雙路運放，其中一路作為pH電極的接口電路，電壓信號直接送入ADUCM355內的ADC功能通道，另一路則作為電導率電極的接口電路，將微弱電流轉換為電壓，再送入ADC通道。

后面這個不就是TIA嗎？

pH電極接口電路：

這個通道的運放通常配置為緩沖放大器，因為pH電極的輸出電壓變化范圍相對較小，但輸出阻抗很高。

LTC6078因其高輸入阻抗和低偏移特性，非常適合這種應用，它可以準確地讀取微弱的pH電極電壓信號，并將其穩定地送到ADUCM355的ADC功能通道進行數字化。

電導率電極接口電路：

電導率測量通常涉及到測量通過溶液的微弱電流，因此需要將這微弱的電流轉換為電壓信號，以便測量。

在這個通道中，LTC6078可能被配置為跨導放大器（Transimpedance Amplifier，TIA），用于將電流信號轉換為電壓信號。TIA配置利用運放的高輸入阻抗和低噪聲特性，能夠提供穩定、準確的電流到電壓轉換，適合于測量微弱的電導率電流。

模擬輸入輸出

16位400k SPS ADC

電壓、電流和阻抗測量能力

內部/外部電流和電壓通道

超低漏電開關矩陣及輸入多路復用器

輸入緩沖器、可編程增益放大器

電壓DAC

2個雙輸出電壓DAC

輸出范圍：對于 12 位輸出，0.2 V 至 2.4 V （±2.2 V 傳感器電位差）

2個偏置恒電勢器及TIA放大器
超低耗電: 每DAC 1μA

高速12位VDAC: 1個

傳感器輸出范圍：±607 mV

用于阻抗測量的快速TIA

輸出用可編程增益放大器

放大器、加速器和參考

低耗電、低噪音放大器 2個

適用于電化學傳感中的恒電勢器偏壓

低耗電、低噪音TIA 2個

適用于測量傳感器電流輸出
±0.00005 μA ~ ±3000 μA

可編程負載和增益電阻

模擬硬件加速器

DDS波形發生器

DFT和數字濾波器

2.5 V和1.82V片上高精度參考電壓
±2°C的精確內部溫度傳感器
<1Ω10MΩ、0.016Hz至200kHz的阻抗測量范圍
伏安法掃描速率可達每秒 2000 步

微控制器

26 MHz ARM Cortex-M3處理器

支持通過串行線端口下載和調試代碼

128 kB 閃存/64kB的SRAM

安全性和安全

AES-128和AES-256的硬件加密

可編程多項式發生器的硬件CRC

用戶閃存的讀寫保護

片上外圍設備

UART、I2C和SPI串行輸入/輸出

最多17個GPIO引腳

外部關閉選項

通用、啟動和監視定時器

電源

2.8 V 至 3.6 V 電源和主動測量范圍

電源監視器

工作功耗：數字部分為 30μA/MHz

外部傳感器休眠偏置：8.5 μA

封裝和溫度范圍

6 mm × 5 mm、72pin LGA封裝

額定工作溫度范圍：?40°C 至+85°C

LGA的封裝是手焊不了的

最大偏移電壓：25μV（25℃）

最大偏移漂移：0.7μV/℃

最大輸入偏置電流：

1pA（25℃）

50pA（85℃ 以下）

微功率:54μA/放大器

CMRR：95dB（最?。?/p>

PSRR：100dB（最小)

輸入噪音電壓：16nV/√Hz

軌對軌輸入輸出

2.7V～5.5V的工作電壓

8引腳MSOP和10引腳DFN封裝

氣體檢測

水質檢測

本來文章到這里就結束了，但是我發現真正有趣的事情才開始。

首先這個驍龍科技也不是自己設計的，就是改了一下ADI的設計demo，哼。

參考的是這個設計

同時AD5940，AD5941，這兩個是去掉MCU的FAE處理器。

甚至這兩個我都沒有看出來有什么區別

事實上還有很多的測量設計

例如上面這個：是一款完全隔離的低功耗pH傳感器信號調理器和數字化儀，具有自動溫度補償功能，可實現高精度。該電路可為 0 至 14 的 pH 值提供 0.5% 的準確讀數，無噪聲代碼分辨率大于 14 位，適用于各種工業應用，如化學、食品加工、水和廢水分析。該電路支持各種pH傳感器，這些傳感器具有非常高的內阻，范圍為1 MΩ至數GΩ，數字信號和電源隔離可對惡劣工業環境中經常遇到的噪聲和瞬態電壓進行抗擾度。

以上這些應用，都是可以直接在ADI的這個板子上面來測試的

這個基于ARM -M3的MCU，主打是低功耗

這個就是我上面說的AD5941

參考設計在此

再把視角調整回去

我標的地方，是不是不知道為什么設置的這幾個電阻。

額，原來是參考設計的電阻

我真的哭死，AIN5，AIN6，Vzero0，它就是都不帶換的

pH的測量圖，就是做緩沖作用的

為高阻抗傳感器提供精密緩沖。其精密性能和低偏置電流（輸入偏置電流最大值為1 pA）是此設計的關鍵因素，其中pH探針的阻抗可能有數千兆歐(GΩ)

電導率這里是，TIA測量，直接上了10M的電阻還加了補償電容

前面的測量端，可以到電極系統，也可以到ADC系統。

看最大的電流是多少

設計原理圖

這個是AD5940的高阻測量，可以對比的看

校準電阻

生病了，不想工作了。。。PCB在最近會制作，如果有需要的請來洽談。電化學這塊還是很多應用的。

審核編輯：黃飛