高精度电导率测量系统CN - 0359设计解析

在电子工程师的日常工作中，电导率测量系统的设计是一个常见且重要的任务。今天我们就来详细解析一下Analog Devices的CN - 0359高精度电导率测量系统，看看它是如何实现高精度测量的。

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一、系统概述

CN - 0359是一个完全自包含、微处理器控制的高精度电导率测量系统。它适用于测量液体的离子含量、水质分析、工业质量控制和化学分析等领域。该系统在0.1 μS至10 S（10 MΩ至0.1 Ω）的电导率范围内，无需校准即可达到优于0.3%的精度。它还能自动检测100 Ω或1000 Ω的铂电阻温度探测器（RTD），将电导率测量参考到室温。此外，系统支持2线或4线电导率池以及2线、3线或4线RTD，增加了测量的准确性和灵活性。

二、关键器件

放大器类

• AD8253：10 MHz，20 V/μs，增益可编程（G = 1, 10, 100, 1000）的iCMOS可编程增益仪表放大器，增益误差小于0.04%，压摆率为20 V/μs，在G = 1000时的建立时间为1.8 μs至0.001%，共模抑制比典型值为120 dB。
• ADA4627 - 1：30 V的高速、低噪声、低偏置电流JFET运算放大器，典型失调电压为120 μV（A等级），偏置电流为1 pA（典型），压摆率为40 V/μs，建立时间为550 ns至0.01%。
• ADA4000 - 1：低成本、精密JFET输入运算放大器，偏置电流低至5 pA，可用于缓冲低电导率下的低电流测量。
• ADA4638 - 1：30 V的零漂移、轨到轨输出精密放大器，典型失调电压仅0.5 μV。
• ADA4528 - 2：精密、超低噪声、RRIO、双路、零漂移运算放大器，典型失调电压为0.3 μV。
• ADA4077 - 2：4 MHz，7 nV/√Hz，低失调和漂移的高精度放大器，典型失调电压为15 μV（A等级），偏置电流为0.4 nA，失调电流为0.1 nA，输出电流可达±10 mA，压降小于1.2 V。
• AD8542：CMOS轨到轨通用放大器，用于为仪表放大器提供1.65 V参考。
• AD8592：CMOS单电源轨到轨输入/输出运算放大器，带有关断功能，每个半部分可作为60 mA电流源为LCD背光灯供电。

其他器件

• ADuCM360：低功耗、精密模拟微控制器，带有双Σ - Δ ADC和ARM Cortex - M3内核，用于产生PWM信号控制开关和进行数据采集。
• ADG1211：低电容、低电荷注入的±15 V/+12 V iCMOS四通道SPST开关，最大电荷注入为4 pC。
• ADG1419：导通电阻为2.1 Ω的±15 V/+12 V/±5 V iCMOS SPDT开关，导通电阻平坦度在±10 V范围内为50 mΩ。
• ADM3483：3.3 V压摆率受限的半双工RS - 485/RS - 422收发器，用于与PC通信。
• ADP2300：1.2 A，20 V，700 kHz/1.4 MHz的非同步降压稳压器，用于产生3.3 V电源。
• ADP1613：650 kHz/1.3 MHz的升压PWM DC - DC开关转换器，用于产生+15 V和 - 15 V电源。

三、电路工作原理

激励信号生成

电导率池的激励方波由ADuCM360微控制器的PWM输出控制ADG1419在+VEXC和 - VEXC电压之间切换产生。+VEXC和 - VEXC电压由ADA4077 - 2运算放大器生成，其幅度由ADuCM360的DAC输出控制。ADG1419的低导通电阻和良好的导通电阻平坦度使其能够生成对称的方波，对称误差典型值为50 ppm。

信号测量与处理

• 电压测量：施加到电导率池的电压V1由AD8253仪表放大器（U15）测量，其正输入由ADA4000 - 1缓冲以减小低电导率下的测量误差。U15和U18为可编程增益仪表放大器，增益误差小于0.04%。
• 电流测量：U19（ADA4627 - 1）将通过传感器的电流转换为电压，其低偏置电流和失调电压使其非常适合该阶段，由120 μV失调误差产生的对称误差仅为12 ppm。
• 同步采样：ADuCM360生成PWM0、PWM1和PWM2信号。PWM1和PWM2分别控制U10和U13跟踪 - 保持缓冲器跟踪传感器电压的负周期和正周期，并将其转换为直流电平。ADG1211开关的低电荷注入和ADA4638 - 1放大器的低失调电压确保了测量的准确性。
• 信号衰减与滤波：ADA4528 - 2反相衰减器将±10 V的最大信号衰减到±1.6 V，并提供噪声滤波，其 - 3 dB频率约为198 kHz。最终，电压通道和电流通道的差分输出分别应用于ADuCM360的AIN2和AIN3、AIN0和AIN1输入。

电导率计算

根据测量得到的电压和电流，通过以下公式计算电导率： [Y_{X}=frac{G 2 × V O U T 2}{G 1 × V O U T 1 × R 47}] 其中，G1和G2是AD8253的增益，R47是一个0.1%公差的电阻。由于电导率测量取决于G1、G2、R47以及VOUT2与VOUT1的比值，因此ADuCM360内的ADC不需要精密参考。

RTD测量

ADuCM360包含两个匹配的、软件可配置的激励电流源，可轻松实现2线、3线或4线的Pt100或Pt1000 RTD测量。软件还能在设置过程中自动检测RTD是Pt100还是Pt1000。4线配置可消除引线电阻误差，3线配置也能在一定程度上补偿引线电阻，2线配置成本最低，适用于不太关键的应用。

四、电源电路

为简化系统要求，所有所需电压（±15 V和+3.3 V）均由单个4 V至7 V电源生成。ADP2300降压稳压器生成3.3 V电源，ADP1613升压稳压器生成+15 V和 - 15 V电源。在设计电源时，需使用适当的布局和接地技术，以防止开关稳压器噪声耦合到模拟电路中。

五、软件操作与用户界面

EVAL - CN0359 - EB1Z板预装了进行电导率测量所需的代码。用户界面直观易用，所有用户输入通过一个双功能按钮/旋转编码器旋钮完成。用户可通过该旋钮设置激励电压、激励频率、温度系数和电池常数等参数。如果传感器或RTD连接不正确，屏幕会显示相应错误信息。

六、系统精度

系统的精度受多个电阻的影响，包括VOUT1电压通道的R19、R20、R29和R31，以及VOUT2电流通道的R47、R37、R38、R48和R52。假设所有九个电阻的公差为0.1%，并考虑AD8253的0.04%增益误差，最坏情况下的误差分析约为0.6%。实际中，电阻误差更可能以RSS方式组合，正或负信号链中电阻公差引起的RSS误差为0.22%。使用1 Ω至1 MΩ的精密电阻模拟电导率池进行精度测量，最大误差小于0.1%。

七、常见变化

如果用户需要离散ADC，AD7794 24位Σ - Δ ADC是一个不错的选择。

八、电路评估与测试

所需设备

• EVAL - CN0359 - EB1Z电路板
• 6 V电源或壁式电源（EVAL - CFTL - 6V - PWRZ）
• 电导率池
• Pt100或Pt1000 2线、3线或4线RTD（如果未连接RTD，电导率测量参考到25°C）

测试步骤

1. 连接电导率池和RTD。
2. 连接6 V电源到电路板。
3. 打开电源，按照软件操作和用户界面部分的步骤设置参数。
4. 返回主屏幕，等待ADuCM360刷新缓冲区并显示电导率和温度。如果屏幕显示错误且蜂鸣器响20次以上，检查传感器连接。

原型开发连接

EVAL - CN0359 - EB1Z板设计为由EVAL - CFTL - 6V - PWRZ 6 V电源供电，还具有RS - 485连接器J2，可用于与外部PC接口，J4是用于对ADuCM360进行编程和调试的JTAG接口。

综上所述，CN - 0359电导率测量系统通过精心选择的精密信号调理组件、创新的同步采样技术和合理的电路设计，实现了高精度的电导率测量。电子工程师在设计类似系统时，可以借鉴其设计思路和方法，同时根据具体应用需求进行适当调整。大家在实际应用中是否遇到过类似系统的设计难题呢？欢迎在评论区分享交流。