化学分析和分析仪器

气体检测仪器广泛应用于从家用空气质量测量设备到工业有毒气体检测解决方案的各种应用。其中许多仪器使用电化学气体传感器。这种传感器技术需要专门的前端电路来进行偏置和测量。

利用内置诊断特性（例如阻抗频谱或偏置电压脉冲与斜坡），可以检查传感器健康状况，补偿老化或温度引起的精度漂移，估计传感器的剩余寿命而无需用户干预。这种功能允许各个边缘节点更换智能、精确的传感器。集成超低功耗微控制器直接偏置电化学气体传感器并运行板载诊断算法。

图1所示电路显示了电化学气体传感器如何连接到恒电位仪电路，以及如何对其进行偏置和测量。常见的2引线、3引线和4引线电化学气体传感器可以互换使用。该信号链的集成显著缩减了传感器节点的成本、尺寸、复杂性和功耗。

许多重要的液体分析（如pH值）依赖于电化学，电化学是化学的一个分支，通过测量电子从一种反应物到另一种反应物的转移来表征还原-氧化反应的行为。电化学技术可以直接或间接用于检测影响水质的几个重要参数，包括化学指标、生物和细菌指标，甚至一些低含量污染物，如重金属。许多此类指示性测量与确定被测分析物的重要质量参数有关。

图1所示电路是一个模块化检测平台，用户可利用它来设计灵活的电化学水质测量解决方案。其高集成度使得电化学测量平台可应用于各种水质探针，包括pH值、氧化还原电位(ORP)和电导池。

该系统允许一次连接多达四个探针，以进行不同的水质测量。

The circuit shown in Figure 1 uses a photometric front end and a network of 860 nm infrared (IR) emitters and silicon PIN photodiodes to achieve a water turbidity measurement system. Turbidity is an important water quality indicator for the presence of dispersed or suspended solids, which affects potable water and environmental conditions. Turbidity is a qualitative characteristic imparted by how these suspended solids obstruct the transmittance of light. Turbidity is not a direct measure of suspended particles in water but rather a measure of the scattering effect that such particles have on light.

The system can measure low to high water turbidity levels ranging from 0 FTU to 1000 FTU. The IR LED and photodiode network is arranged in such a way that it can support two of the most recognized turbidity measurement standards: ISO7027 (both ratio and nonratio) and the GLI method. With three-point calibration, the typical accuracy that the system can achieve is ±0.50 FTU or ±5% of the reading, whichever is greater. This accuracy combined with the 0.05 FTU noise level makes the measurements obtained using this system very reliable.

The ADPD105 ambient light rejection feature makes this circuit ideal for applications where accurate, robust, and noncontact turbidity measurements are critical. Applications include chemical analysis and environmental monitoring of natural bodies of water (such as wastewater and drinking water).

The printed circuit board (PCB) is designed in an Arduino shield-compatible form factor and directly interfaces to the EVAL-ADICUP360 Arduino form factor-compatible platform board for rapid prototyping.

图1中的电路是一个完整基于热电堆的气体传感器，利用了非分散红外(NDIR)原理。该电路针对CO₂检测优化，而采用不同滤光器的热电堆之后亦可精确测量多种气体的浓度。

该电路板 (PCB) 采用 Arduino 屏蔽尺寸设计，并与EVAL-ADICUP360Arduino兼容型平台板对接。信号调理由AD8629和低噪声放大器ADA4528-1以及集成可编程增 益放大器、双通道24位Σ-型模数转换器(ADC)和ARM Cortex-M3处理器的精密模拟微控制器ADuCM360实现。

图1所示电路是一个集成的3线式电阻温度检测器(RTD)系统，基于AD7124-4/AD7124-8 低功耗、低噪声、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)，针对高精度测量应用而优化。 采用两点校准和线性化，在−50℃至+200℃的温度范围内，3线系统的整体精度优于±1℃。 在全功率模式、选择sinc4滤波器、输出数据速率为50 SPS的条件下，系统的

AD7124-4可配置为4个差分或7个伪差分输入通道，而AD7124-8可配置为8个差分或15个伪差分输入通道。 片内可编程增益阵列(PGA)确保ADC中可直接输入小信号。

AD7124-4/AD7124-8提供最高的信号链集成度，其中包括可编程低漂移激励电流源。 片内集成了RTD测量系统需要的大部分构建模块，因而能够大大简化RTD系统设计。

AD7124-4/AD7124-8允许用户灵活地使用三种集成功耗模式中的一种，电流消耗、输出数据速率范围和均方根噪声与所选的功耗模式相对应。 低功耗模式下，AD7124-4/AD7124-8的功耗仅255 μA，全功率模式下为930 μA。 这些功耗选项使得该器件既适合功耗不重要的应用，如输入/输出模块，也适合低功耗应用，如环路供电智能变送器（整个变送器的功耗必须低于4 mA）。

该器件还具有关断选项。 在关断模式下，整个ADC及其辅助功能均关断，器件的典型功耗降至1 μA。AD7124-4/AD7124-8还集成了丰富的诊断功能，作为全面特性组合的一部分。

图1所示电路是一个集成的热电偶测量系统，基于AD7124-4/AD7124-8 低功耗、低噪声、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)，针对高精度测量应用而优化。 使用该系统的热电偶测量在−50℃至+200℃的测量温度范围内具有±1℃的整体系统精度。 系统的典型无噪声码分辨率约为15位。

AD7124-4可配置为4个差分或7个伪差分输入通道，而AD7124-8可配置为8个差分或15个伪差分输入通道。片内低噪声可编程增益阵列(PGA)确保ADC中可直接输入小信号。

AD7124-4/AD7124-8提供最高的信号链集成度，其中包括可编程低漂移激励电流源、偏置电压发生器和内部基准电压源。片内集成了系统需要的大部分构建模块，因而能够简化热电偶系统设计。

AD7124-4/AD7124-8允许用户灵活地使用三种集成功耗模式中的一种，电流消耗、输出数据速率范围和均方根噪声与所选的功耗模式相对应。低功耗模式下，AD7124-4/AD7124-8的功耗仅255 μA，全功率模式下为930 μA。 这些功耗选项使得该器件既适合功耗不重要的应用，如输入/输出模块，也适合低功耗应用，如环路供电智能变送器（整个变送器的功耗必须低于4 mA）。

该器件还具有关断选项。 在关断模式下，整个ADC及其辅助功能均关断，器件的典型功耗降至1 μA。AD7124-4/AD7124-8还集成了丰富的诊断功能，作为全面特性组合的一部分。

图1中的系统功能图显示了一个用于飞安级电流测量的精密模拟前端。这个解决方案非常适合化学分析仪和实验室级仪器使用，其中需要超高灵敏度模拟前端来对光电二极管、光电倍增管、法拉第筒等电流输出传感器进行信号调理。可以使用该解决方案的应用包括质谱分析、色谱分析和库仑分析。

EVAL-CN0407-SDPZ为实际应用提供了一个参考设计，它将系统划分为一个低泄漏夹层板和一个数据采集板。输入信号调理利用夹层板上的ADA4530-1实现。ADA4530-1是一款静电计级放大器，其输入偏置电流非常低，在85°C时最大值为20 fA。片上集成一个保护环缓冲器，用以防止输入引脚电流泄漏至印刷电路板(PCB)。放大器默认配置为跨阻模式，采用10 GΩ玻璃电阻和金属屏蔽体，防止漏电流进入电路板上的任何高阻抗路径。此外，夹层板含有未焊接的电阻和电容焊盘，方便用户利用表贴反馈电阻开发原型产品和实现其他输入配置。

数据采集板采用AD7172-224位Σ-Δ型模数转换器(ADC)，由9 V单直流电源供电。板载电源输出两块PCB所需的全部电压。该板通过SDP-S板(EVAL-SDP-CS1Z)连接到PC，并采用数字隔离防止来自USB总线或接地环路的噪声影响低电流测量。

图1所示电路是一款双通道色度计，其具有一个调制光源 发射器，各通道上有可编程增益跨阻放大器，后接一个噪 声非常低的24位 Σ-Δ 型模数转换器(ADC)。ADC的输出连 接到一个标准FPGA夹层卡。FPGA从ADC获得采样数据， 实现一个同步检波算法。

通过使用调制光和数字同步检波而非恒流(直流)源，系统可有力地抑制非调制频率的噪声源，提供出色的精度。

<该双通道电路以三种不同的波长测量样本与参考容器中的液体的吸收光线之比。这种测量方法构成许多通过吸收光谱测量浓度和表征材料的化学分析和环境监控仪器仪表的基础。

图 1 中的电路是一个完全独立自足、微处理器控制的高精 度电导率测量系统，适用于测量液体的离子含量、水质分 析、工业质量控制以及化学分析。

经过仔细选择的精密信号调理元件组合可在 0.1 μS 至 10 S (10 MΩ 至 0.1 Ω) 电导率范围内提供优于 0.3% 的精度，且无 需校准。

针对 100 Ω 或 1000 Ω 铂 (Pt) 电阻温度检测器 (RTD) 提供自动 检测功能，允许以室温为参考测量电导率。

系统支持双线式或四线式电导池以及双线式、三线式或四 线式 RTD ，以提高精度和灵活性。

该电路能以极小的直流失调产生精确交流激励电压，从而 避免电导率电极上的极化电压受损。交流激励的幅度和频 率为用户可编程。

创新的同步采样技术可将激励电压和电流的峰峰值幅度转 化为直流值，这样不仅提升了精度，同时简化了内置于精 密模拟微控制器的双通道 24 位 Σ-Δ 型 ADC 对于信号的处理。

采用 LCD 显示器和编码器按钮实现直观的用户界面。该电 路可以按需使用 RS-485 接口实现与 PC 的通信，并采用 4 V 至 7 V 单电源供电。

图1所示电路是一个完全隔离式低功耗pH传感器信号调理器和数字化仪，并且带有自动温度补偿以实现高精度。

该电路可为0至14范围内的pH值提供精度为0.5%的读数，无噪声代码分辨率大于14位，适用于多种工业应用，如化工、食品加工、水处理、污水分析等。

该电路支持众多内部电阻超高(范围从1 MΩ至数GΩ) 的pH传感器，其数字信号和电源隔离设计使其免受恶劣工业环境中常见的噪声和瞬变电压的影响。

图1所示电路是使用电化学传感器的单电源、低功耗、电池供电、便携式气体探测器。本示例中使用Alphasense CO-AX一氧化碳传感器。

对于检测或测量多种有毒气体浓度的仪器，电化学传感器能够提供多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而设计，可用分辨率小于气体浓度的百万分之一(ppm)，所需工作电流极小，非常适合便携式电池供电的仪器。

图1所示电路使用双通道微功耗放大器ADA4505-2，该器件在室温下的最大输入偏置电流为2 pA，每个放大器的功耗仅为10 μA。此外，ADR291 精密、低噪声、微功耗基准电压源的功耗仅为12 μA，可建立2.5 V共模伪地基准电压。

ADP2503 高效率、降压/升压调节器支持两节AAA电池的单电源供电，在节能模式下的功耗仅为38 μA。

图1所示电路（不包括 AD7798 ADC）的总功耗在正常条件下（未探测到气体）约为110 μA，在最差条件下（探测到2000 ppm CO）约为460 μA。AD7798工作时的功耗约为180 μA（G = 1，缓冲模式），节能模式下仅为1 μA。

由于电路功耗极低，两节AAA电池便可提供合适的电源。当连接到ADC和微控制器或者内置ADC的微控制器时，电池寿命可从6个月以上到一年以上不等。

图1所示电路是一个双通道色度计，集成调制光源发射器 和同步检波器接收器。电路以三种不同的波长测量样本与 参考容器的吸收光线之比。

该电路针对许多化学分析和环境监控仪器提供有效的解决 方案，这些仪器仪表用于通过吸收光谱测量浓度和表征材 料。

光电二极管接收器调理路径包括可编程增益跨阻放大器， 用于将二极管电流转换为电压，并允许分析光吸收情况大 不相同的不同液体。16位Σ-Δ型模数转换器(ADC)提供额外 的动态范围，确保宽范围光电二极管输出电流具有足够的 分辨率。

使用调制光源和同步检波器而非恒流(直流)源可消除环境 光线和低频噪声产生的测量误差，并提供更高的精度。

图1所示电路是一种便携式气体探测器，它采用4电极电化学传感器，可同时探测两种不同的气体。该恒电位电路利 用最佳器件组合来提供单电源、低功耗、低噪声性能，并且具有很强的编程能力，支持各类传感器来探测不同类型的气体。

对于探测或测量多种有毒气体浓度的仪器，电化学传感器能够提供多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而设计，可用分辨率小于气体浓度的百万分之一 (ppm)。

本例使用Alphasense COH-A2传感器，其可检测一氧化碳(CO)和硫化氢 (H₂S)。

EVAL-CN0396-ARDZ 印刷电路板 (PCB) 采用Arduino兼容扩展板尺寸设计，并与Arduino兼容平台板 EVAL-ADICUP360 对接，便于快速开发原型。

图1所示电路是一个双通道、库隔离、宽带宽数据采集 (DAQ) 系统，采用同步采样架构，每通道使用一个模数转换器 (ADC)。该系统实现了高通道密度以及库和数字背板之间的隔离，而且性能优异。设计还将ADC配置为菊花链模式，并使用具有微调延迟时钟特性的隔离器产品，从而高效使用隔离通道。集成脉宽调制 (PWM) 控制器和变压器驱动器的隔离器在隔离栅上执行DC/DC转换，使电源生成也得到了简化。该系统还具有典型DAQ信号链的许多常见特性，比如输入电路保护、可编程增益通道、高精度和高性能。

同步采样消除了多路复用DAQ信号链固有的多通道采样速率限制。模拟前端 (AFE) 设计也比多路复用方案简单，因为系统的建立时间性能要求有所降低。各通道同步采样，而顺序采样系统的通道之间会有延迟。

数字库隔离DAQ设计为数字后端电路提供了保护，减少了接地环路和库间共模干扰。每个接地层支持多个DAQ信号链，所需的数字隔离器件比通道间隔离系统要少。

ADI公司的ADA4945-1CP-EBZ评估板允许用户评估ADA4945-1全差分放大器的性能。ADA4945-1CP-EBZ评估板可配置为接受单端或差分输入信号。

ADA4945-1CP-EBZ评估板利用多个2引脚和3引脚接头控制ADA4945-1的各种特性。施加正确的跳线以便设置ADA4945-1高低输出箝位电平，设置ADA4945-1输出共模电压，选择ADA4945-1的高功率或低功率模式并设置ADA4945-1数字接地电平。

电源层和接地层经优化可确保低噪声和高速运算。器件放置和电源旁路可以较大程度地提高电路的灵活性和性能。ADA4945-1CP-EBZ评估板支持0402表面贴装技术(SMT)器件、0805旁路电容和2.54 mm接头。

输入和输出信号通过50 Ω侧边引出超小A型(SMA)连接器转至/自此电路板。

ADA4945-1数据手册提供ADA4945-1的完整规格。使用ADA4945-1CP-EBZ评估板时，应同时参阅数据手册和本用户指南。

ADuCM355片上系统提供偏置和测量各种不同电化学传感器所需的特性。实现各种不同的电化学技术时，包括计时安培分析法、伏安法和电化学阻抗谱分析(EIS)，EVAL-ADuCM355QSPZ允许用户评估ADuCM355的性能。

ADuCM355数据手册提供ADuCM355的完整规格，使用EVAL-ADuCM355QSPZ时应同时参考EVAL-ADuCM355QSPZ用户指南与数据手册。

UG-1201 介绍了用于 ADA4625-1 低噪声、快速稳定单电源轨到轨输出 (RRO) 结型场效应晶体管 (JFET) 运算放大器的评估板，此评估板采用具有裸焊盘的 8 引脚小外形集成电路 (SOIC) 封装。此评估板的设计注重简易性和易用性。此评估板是一款双层板，可在输入和输出端容纳边缘安装型微型 A (SMA) 连接器。使用 SMA 连接器可以高效连接到测试设备或其它电路。

已针对较佳电路灵活性和性能优化了评估板的接地平面、组件布置和电源旁路。ADA4625-1 的裸焊盘连接到评估板上的接地平面，以增强热性能和噪声性能。该评估板组合使用 0603 和 0805 表面安装技术 (SMT) 组件外壳规格，但旁路电容器 C3 和 C5 除外，其最大标准规格为 1206。该评估板还采用各种各样的未填充电阻器和电容器焊盘，为用户提供了多种选择和更大灵活性，适用于不同应用电路和配置，例如有源环路滤波器、互阻抗放大器 (TIA) 和电荷放大器。

ADA4625-1 数据手册介绍了器件工作和应用电路配置的规格和详细信息以及指南。请参阅数据手册以及 UG-1201，更好地了解器件操作，尤其是在首次为评估板加电时。

EVAL-ADAQ7980SDZ评估板设计用于演示低功耗产品ADAQ7980的性能，以利于了解各种系统应用的接口。ADAQ7980是一款16位模数转换器(ADC)子系统，系统中集成四个常见信号处理和调理模块，采用支持各种应用的系统级封装(SiP)设计。

尽管装有ADAQ7980，EVAL-ADAQ7980SDZ还可以评估ADAQ7988。要模拟ADAQ7988性能评估，在ADAQ798x评估软件中将ADAQ7980的最大采样速率限制到500 kSPS。

该评估板非常适合与ADI公司的系统演示平台(SDP)板EVAL-SDP-CB1Z一起使用。EVAL-ADAQ7980SDZ通过一个120引脚连接器与SDP板接口。采用SMA连接器的P1、P2、P3和P4来连接低噪声模拟信号源。

ADAQ798x评估软件可执行文件通过USB连接的EVAL-SDP-CB1Z来控制评估板。

ADAQ7980的完整说明和技术规格参见ADAQ7980/ADAQ7988数据手册。使用评估板时，应同时参阅数据手册和本用户指南。有关EVAL-SDP-CB1Z的全部详细信息，请访问SDP-B产品页面。