連接/參考器件

AD5934

250 kSPS、12位阻抗轉換器網絡分析儀

AD8606

精密、低噪聲、軌到軌輸入/輸出、CMOS、運算放大器（雙通道）

ADG715

CMOS、低電壓、I2C控制、八通道單刀單擲開關

ADuM1250

雙通道I2C數字隔離器

ADuM5000

2.5 kV、隔離式DC/DC轉換器

評估和設計支持

電路評估板

CN-0349電路評估板(EVAL-CN0349-PMDZ)

SDP-I-PMOD轉接板(SDP-PMD-IB1Z)

系統演示平臺，SDP-B (EVAL-SDP-CB1Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優勢

圖1顯示的電路提供了完整可靠的數據采集解決方案，用于測量被測物的電導，包括溫度校正。此電路非常適合測量液體的離子含量，以及進行水質分析和化學分析。

該設計針對高精度和低成本優化，僅使用5個有源器件。校準后，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)空間的應用。該電路的數字輸出是完全隔離的；因此，該電路不存在接地環路干擾問題，非常適合在惡劣工業環境下使用。

電路描述

圖1中顯示的電路集成了AD5934 12位阻抗轉換器、ADG715八通道單刀單擲(SPST)開關、AD8606軌到軌運算放大器、ADuM1250雙通道I2C隔離器以及ADuM5000隔離式DC-DC轉換器，形成用于電導率測量的完整數據采集系統。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場可編程門陣列(FPGA)。

AD5934是一款高精度的阻抗轉換器系統解決方案，片上集成一個可編程直接數字頻率合成器(DDS)和一個12位、250 kSPS模數轉換器(ADC)。可調頻率發生器產生已知頻率來激勵外部復阻抗。 片上DAC監控未知阻抗的電壓和電流。AD5933是與1 MSPS ADC類似的器件。片上數字信號處理器(DSP)引擎計算離散傅里葉變換(DFT)。 DFT算法在每個輸出頻率返回一個實部(R)數據字和一個虛部(I)數據字。

選擇AD8606運算放大器的原因是該器件具有低失調電壓（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是一款互補金屬氧化物半導體(CMOS)、8通道單刀單擲開關，通過雙線串行接口控制，該接口可兼容I2C接口標準。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通電阻（通常為2.5Ω），采用小型24引腳TSSOP 封裝，因而成為諸多應用的理想之選。

ADuM5000是一款隔離式DC/DC轉換器，具有3.3 V或5 V輸出，基于ADI公司的isoPower技術，采用16引腳SOIC封裝。

ADuM1250是一款支持熱插拔的數字隔離器，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芯片級變壓器技術，采用8引腳SOIC封裝。

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可按以下方式計算：

R = ρL/A

其中：

L 是接觸距離。

A 是接觸面積。

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

所有水溶液都在一定程度上導電。 溶液導電能力的測量指標稱為電導，它是電阻的倒數。 電導的測量單位為西門子（縮寫為“S”）。 向純水中添加電解質，例如鹽、酸或堿，可以提高電導并降低電阻。 電阻率表示為Ω cm，電導率表示為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。

電導率系統通過連接到沉浸在溶液中傳感器的電子元件來測量電導。 分析儀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。

電導率傳感器

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平方厘米，間距為1厘米。 對于特定的工作范圍，電導池常數必須與分析儀相匹配。 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，電導池配置了很大的電極，相距很小的間距。 例如，對于電導池常數為0.01/cm的電導池，結果是電導池電阻大約為10,000 Ω，可以非常精確地測量。 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。

溫度補償

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。

圖1顯示的電路可實現精確的電導率測量，從較低的μS到幾百mS的范圍，它還優化了AD5934在很大導納范圍內的整體精度。 此外還集成了使用Pt100電阻溫度檢測器(RTD)的溫度測量功能。 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估板，以實現快速原型開發（Digilent Pmod規格）。

該電路主要由四個模塊組成。 第一個模塊是阻抗到數字轉換器，包含：AD5934(U3)阻抗轉換器；用于將交流信號偏置至VDD/2的跟隨器（AD8606的一半，U2A）；使用AD8606的另一半的電流電壓轉換器配置U2B。

第二個模塊是可編程電阻反饋（R6、R8、R9）和校準電路（R3、R4、R7）以及8通道單刀單擲開關ADG715 (U1)。它通過I2C串行接口控制ADG715，以實現測量范圍和校準程序。

第三個模塊是ADuM1250 (U5)熱插拔數字隔離器，用于將串行數據從AD5934 (U3)傳輸到IMOD CON (J2)。 第四個模塊是ADuM5000 (U4)，它是隔離式DC-DC轉換器，具有3.3 V的輸出電壓，為電路提供電源。

但是，第三個模塊和第四個模塊是可選的，它們提供電路和微處理器評估板之間的電流隔離。 除非必須隔離，否則這兩個模塊不是必需的。

該電路使用CON1 (J1)連接器連接到帶有內置Pt100 RTD溫度傳感器的電導池。

利用一個穩定的低抖動FXO-HC536R-1 (U6)石英晶體振蕩器，將施加于MCLK引腳的時鐘頻率設置為1 MHz。此隔離器讓AD5934能夠激勵頻率為2 kHz的電導池，非常適合電導率測量。

電路設計

圖2顯示了電路中使用的電導率和溫度測量的優化信號鏈。AD5934具有四個可編程輸出電壓范圍。 每個范圍都有對應的輸出阻抗。 例如，1.98 V p-p輸出電壓的輸出阻抗一般為200 Ω（參見AD5934數據手冊）。 輸出阻抗會影響阻抗測量精度，在低ohm范圍內尤為突出。 在信號鏈內的簡易緩沖器可防止輸出阻抗影響未知的阻抗測量。 應選擇低輸出阻抗放大器，保證足夠的帶寬來適應AD5934的激勵頻率。 針對AD8605 /AD8606 /AD8608系列的CMOS運算放大器，能夠實現的低輸出阻抗示例如圖2所示。 在增益為1時，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。

AD5934中的四個可編程輸出電壓范圍具有四個關聯的偏置電壓（參見AD5934數據手冊）。例如，1.98 V p-p激勵電壓需要1.48 V的偏置。但是，AD5934的電流電壓(I-V)接收級設置為固定偏壓VDD/2。因此，對于3.3 V電源，發射偏壓為1.48 V，而接收偏壓為3.3 V/2 = 1.65 V。此電位差會引起測試溶液YX極化，并可導致電導率測量不準確。 一種解決方案是添加一個在低Hz范圍內具有轉折頻率的簡單高通濾波器（參見電路筆記CN-0217）。 消除發射級的直流偏置，并將交流信號重新偏置至VDD/2，在整個信號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放大級還可能輕微增加信號鏈的誤差。I-V轉換級易受放大器的偏置電流、失調電壓和共模抑制比(CMRR)影響。 通過選擇適當的外部分立放大器(U2B)來執行I-V轉換，可以提高精度。 選擇AD8606的原因是該器件具有低失調電壓（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。 該內部放大器隨后可配置成一個簡單的反相增益級。 如AN-1252應用筆記中所述，RFB仍根據系統的整體增益來選擇。 I-V轉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（電導率范圍）相對于校準電阻RCAL的大小幅度（參見電路筆記CN-0217和應用筆記AN-1252）。 選擇接近未知阻抗的RCAL可實現更精確的測量，即以RCAL為中心的未知阻抗范圍越小，測量精度越高。 因此，對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增益系數計算期間可通過校準消除開關的導通電阻(RON)誤差。 使用不同反饋電阻(RFB)值（見圖2）可優化ADC所獲得信號動態范圍。

為了改進圖1中所示的大范圍電導的精度，使用三個校準電阻RCAL（100 Ω、1 kΩ和10 kΩ）、兩個反饋電阻RFB（100 Ω和10 kΩ），由軟件和ADG715八通道開關控制。 電路設置為在兩個范圍內運行：

低范圍： μS至mS，RFB = 1 kΩ，RCAL =1 kΩ和10 kΩ

低范圍： μS至mS，RFB = 1 kΩ，RCAL =1 kΩ和10 kΩ

使用這兩個范圍，整體測量范圍為25 μS t至200 mS，精度高于1% FSR，如測試數據所示。 可以選擇RCAL和RFB的其他值以覆蓋不同的范圍。

CN-0349評估軟件允許電路在三種模式下工作。 在模式1（圖2中開關的位置1)中，低范圍和高范圍的校準程序都是自動執行的。 在模式2（圖2中開關的位置2)中，溶液的溫度測量使用外部Pt100 RTD溫度傳感器自動執行。 在模式3（圖2中開關的位置3)中，測量溶液的實際電導率。

校準程序

對于圖1顯示的電路，校準程序使用三個精密電阻RCAL（R3 = 100 Ω、R4 = 1 kΩ和R7 = 10 kΩ）進行三點校準，最大程度地減小失調和增益誤差，在每個范圍內使系統線性化。 對于每個范圍，校準程序在輸入范圍的開頭和末尾執行，使用兩個參考信號（校準電阻）YL和YH，如圖3所示。參考信號的值預加載在微控制器的存儲器中，也可以通過鍵盤輸入。

對于低范圍校準點，參考信號是YL（例如，YL = 1/R7 = 1/10 000 Ω = 0.1 mS）。 當參考信號YL連接時，將獲取與參考信號YL相對應的代碼NL（幅值ML）。 同樣，對于高范圍校準點，參考是信號YH（例如，YH = 1/R4 = 1/1000 Ω = 1 mS）。 當參考信號YH連接時，將獲取與參考信號YH相對應的代碼NH（幅值MH）。

然后按照公式1計算增益系數(GF)

系統的失調(NOS)可通過參考圖3確定，并按照公式2計算。

在測量模式中，未知輸入信號(YX)在代碼(NX)中轉換，并按照公式3計算。

對于高范圍，程序是相同的，但參考信號如下： YL = 1/R4 = 1/1000 Ω = 1 mS，YH = 1/R3 = 1/100 Ω = 10 mS。

為了在低電導范圍（高電阻）內實現更寬的測量范圍，我們使用AD5934的2 V p-p激勵輸出電壓。 為了在高電導范圍（低電阻）內擴大測量范圍，在保持2 V p-p激勵輸出電壓的同時，還串行連接了一個精密電阻R2 = 100 Ω，具有未知電導YX。 可以使用其他輸出電壓范圍來優化高電導范圍（低電阻）內的ADC動態范圍。

測試數據結果

使用圖1中的校準值和反饋電阻，按照“電路設計”部分和“校準程序”部分中所述，我們進行了一系列試驗。

表1、表2和表3顯示了低范圍模式和高范圍模式下的結果。 表4、表5和表6顯示了每個范圍的相對誤差和相應讀數。 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YX）。 表中使用的符號定義如下：

RX： 參考電阻

YX： 計算的參考電導率

YR： 測量的電導率（讀數）

RR： 測量的電阻（讀數）

RR： 校正的電阻 = RR – RR（對于RX = 0）

低范圍電導率測量

表1顯示了低范圍測量的結果，圖4顯示了范圍的相對誤差百分比以及讀數的相對誤差百分比。 在從25 μS到2500 μS的低范圍中，讀數的誤差百分比不超過0.5%。

表1. 從25 μS至2.5 mS的低范圍測量數據，RFB = 1 kΩ，RCAL1 = 1 kΩ，RCAL2 = 10 kΩ

高范圍電導率測量

表2顯示了高范圍測量的結果，圖5顯示了范圍的相對誤差百分比以及讀數的相對誤差百分比。 在從0.2 mS到200 mS的高范圍中，讀數的誤差百分比不超過3%。

表3顯示了表2的結果，0.1903 Ω的電阻失調已校正。 RR列在表3中已經校正，通過從表2中的RR列減去0.1903 Ω得出。

軟件（CN-0349評估軟件）可以進行此校正。 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）。

表2. 從0.2 mS至200 mS的高范圍測量數據，RFB = 100 Ω，RCAL1 = 100 Ω，RCAL2 = 1 kΩ

表3. 從0.2 mS至200 mS的高范圍，電阻失調(0.1903 Ω)已校正，RFB = 100 Ω，RCAL1 = 100 Ω，RCAL2 = 1 kΩ

表4. 標準氯化鉀(KCl)溶液的電導率測量結果，使用圖1中顯示的電路

使用電導池的電導率測量

表4顯示對以下六種0.1%精度標準KCl溶液進行的電導率測量結果： 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。

使用的電導池是Sensorex CS200TC-PT1，其電導池常數等于1/cm，帶有內置的Pt100 RTD溫度傳感器。

標準KCl溶液在專門的保加利亞實驗室中配制，用作數據點來檢查系統。 當電導池的電導池常數未知時，也可以使用標準溶液作為校準點，而不是使用校準電阻。

有關電導率測量和標準溶液的更多信息，請參閱Shreiner, R.H和Pratt, K.W的《電解電導率的主要標準和標準參考材料》(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必須盡可能隔離數字部分和模擬部分。 該系統的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。

采用10 μF和0.1 μF電容對AD8606電源去耦，以適當抑制噪聲并減小紋波。 這些電容應盡可能靠近相應器件，0.1 μF電容應具有低有效串聯電阻(ESR)值。 對于所有高頻去耦，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。 請注意，低ESR旁路電容必須盡可能靠近芯片焊盤。 需要并聯至少兩個電容，以抑制噪聲并減少紋波。 對于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，可能會破壞數據。

設置和編程

EVAL-CN0349-PMDZ使用CN-0349評估軟件來執行校準程序，并從電導池采集數據。

圖7顯示了軟件的校準窗口。 單擊“Calibrate”可初始化校準程序。 該軟件通過控制ADG715八通道開關，自動執行三點校準程序。 為了正確執行校準程序，必須在三個校準電阻指標中填寫正確的值。 在自動校準程序中，軟件在三個校準點進行測量，并將校準系數（增益系數G和系統失調NOS）存儲在軟件存儲器中，如“校準程序”部分中所述。 針對兩個測量范圍，計算兩個不同的校準系數，并將其存儲在存儲器中（G1和G2，NOS1和NOS2）。 執行測量時，會根據選定的范圍，選擇相應的增益系數和系統失調。

圖8顯示了該軟件的主窗口，其中顯示了不同的測量結果。 根據選擇的范圍，可以執行測量，并獲取輸入阻抗、電導率、溫度和補償電導率溫度的值。 要正確顯示結果，必須正確選擇探頭校正的數據。

電導池常數必須與用于測量的常數相同。 對于標準電導池，此常數通常在0.01/cm至10/cm之間。

失調指標用于失調校正，用mS/cm表示的失調值來更改測量值。

必須根據測量的溶液來選擇溫度系數。 當此系數的值設置為0%/°С時，則不執行溫度補償。

常見變化

AD8608是AD8605的四通道版本，在需要額外的精密運算放大器時，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，具有超低失調電壓和寬信號帶寬等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608。

經驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩定地工作，并具有良好的精度。 可以使用其他高精度運算放大器，取代雙通道版本AD8606。 可以使用兩個單通道版本AD8605運算放大器，而不是使用AD8606，以便進行PCB布局。

AD5933阻抗轉換器類似于AD5934，并將片上集成頻率發生器與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。

電路評估與測試

EVAL-CN0349-PMDZ板包含要評估的電路，SDP評估板與CN-0349評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0349-PMDZ電路板獲取數據。

本電路采用EVAL-CN0349-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP)評估板。 轉接板SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z板采用120引腳對接連接器。 轉接板SDP-PMD-IB1Z和EVAL-CN0349-PMDZ板采用8引腳IMOD對接連接器，可快速進行設置和評估電路性能。

設備要求

需要以下設備：

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電路評估板

EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板

SDP-PMD-IB1Z轉接板

6 V電源或壁式電源適配器(EVAL-CFTL-6V-PWRZ )

CN-0349評估軟件

集成Pt100傳感器的電導池（例如，Sensorex CS200TC-PT1）

開始使用

將CN-0349評估軟件光盤放入PC，加載評估軟件。 用戶也可從CN-0349評估軟件中下載最新版的評估軟件。 打開“我的電腦”，找到包含評估軟件光盤的驅動器，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位置。

功能框圖

電路框圖見圖1，電路原理圖見EVAL-CN0349-PMDZ-Altium DesignerSchematic.pdf文件。 此pdf文件在CN-0349設計支持包中。 測試設置的框圖如圖9所示。

設置

要正確進行設置，請執行以下步驟：

1.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轉接板。

2.通過120引腳連接器A將SDP-PMD-IB1Z轉接板連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。

3.通過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z SDP板連接到PC。

4.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.），將EVAL-CN0349-PMDZ評估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉接板。

EVAL-CN0349-PMDZ板照片如圖10所示。

通過J1端子板，將電導池連接到EVAL-CN0349-PMDZ評估板。

測試

啟動CN-0349評估軟件。如果設備管理器中列出了Analog Devices SDP驅動器，軟件將能與SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發送、接收、獲取來自EVAL-CN0349-PMDZ板的串行數據。