CN0349

图1中显示的电路集成了 AD5934 12位阻抗转换器、ADG715 八通道单刀单掷(SPST)开关、AD8606 轨到轨运算放大器、ADuM1250 双通道I²C隔离器以及 ADuM5000隔离式DC-DC转换器，形成用于电导率测量的完整数据采集系统。该电路具有板载8引脚IMOD连接器，可用于连接客户微处理器或现场可编程门阵列(FPGA)。

AD5934是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案，片上集成一个可编程直接数字频率合成器(DDS)和一个12位、250 kSPS模数转换器(ADC)。可调频率发生器产生已知频率来激励外部复阻抗。片上DAC监控未知阻抗的电压和电流。 AD5933 是与1 MSPS ADC类似的器件。片上数字信号处理器(DSP)引擎计算离散傅里叶变换(DFT)。DFT算法在每个输出频率返回一个实部(R)数据字和一个虚部(I)数据字。

选择AD8606运算放大器的原因是该器件具有低失调电压(最大值65 μV)、低偏置电流(最大值1 pA)和低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。

ADG715 是一款互补金属氧化物半导体(CMOS)、8通道单刀单掷开关，通过双线串行接口控制，该接口可兼容I²C接口标准。该器件的功耗较低，具有2.7 V至5.5 V的低工作电源范围和低导通电阻(通常为2.5 Ω)，采用小型24引脚TSSOP封装，因而成为诸多应用的理想之选。

ADuM5000是一款隔离式DC/DC转换器，具有3.3 V或5 V输出，基于ADI公司的isoPower^®技术，采用16引脚SOIC封装。

ADuM1250是一款支持热插拔的数字隔离器，提供非闩锁双向通信通道，且与I²C接口兼容，基于ADI公司的iCoupler芯片级变压器技术，采用8引脚SOIC封装。

电导率理论

材料或液体的电阻率ρ定义为：当立方体形状的材料反面完全导电接触时，该材料的电阻。其他形状材料的电阻可按以下方式计算：

R = ρL/A

其中：

L是接触距离。
A是接触面积。

电阻率的测量单位为Ω cm。当接触1 cm × 1 cm × 1 cm立方体的反面时，1 Ω cm材料的电阻为1 Ω。

电导是电阻的倒数，电导率是电阻率的倒数。

所有水溶液都在一定程度上导电。溶液导电能力的测量指标称为电导，它是电阻的倒数。电导的测量单位为西门子(缩写为“S”)。向纯水中添加电解质，例如盐、酸或碱，可以提高电导并降低电阻。电阻率表示为Ω cm，电导率表示为S/cm、mS/cm或μS/cm。

在此电路笔记中，我们使用Y作为电导率的通用符号，测量单位为S/cm、mS/cm或μS/cm。但在很多情况下，为了方便起见，我们会省略距离项，电导率仅表示为S、mS或μS。

电导率系统通过连接到沉浸在溶液中传感器的电子元件来测量电导。分析仪电路对传感器施加交流电压，并测量产生的电流大小，电流与电导率相关。由于电导率具有很大温度系数(最高达到4%/°C)，因此电路中集成了必需的温度传感器，用于将读数调整为标准温度，通常为25°C (77°F)。对溶液进行测量时，必须考虑水本身的电导率的温度系数。为了精确地补偿温度，必须使用第二个温度传感器和补偿网络。

电导率传感器

接触型传感器通常包括相互绝缘的两个电极。电极通常为316型不锈钢、钛钯合金或石墨，具有特定的大小和间距，以提供已知的电导池常数。从理论上说，1.0/cm的电导池常数表示两个电极，每个电极面积为1平方厘米，间距为1厘米。对于特定的工作范围，电导池常数必须与分析仪相匹配。例如，如果在电导率为1 μS/cm的纯水中使用电导池常数为1.0/cm的传感器，则电导池的电阻为1 MΩ。相反，相同电导池在海水中的电阻为30 Ω，由于电阻比过大，普通仪器很难在仅有一个电导池常数情况下精确测量此类极端情况。

对1 μS/cm溶液进行测量时，电导池配置了很大的电极，相距很小的间距。例如，对于电导池常数为0.01/cm的电导池，结果是电导池电阻大约为10,000 Ω，可以非常精确地测量。因此，对于超纯水和高电导率海水，使用具有不同电导池常数的电导池，测量仪表可在相同的电导池电阻范围内工作。

温度补偿

电导率测量系统精度只有经过温度补偿才能达到较佳。由于常见溶液温度系数在1%/°C至3%/°C或更高值之间变化，因此必须使用带有可调温度补偿的测量仪器。溶液温度系数在某种程度上是非线性的，通常还随着实际电导率变化。因此，在实际测量温度下进行校准可以达到较佳精度。

图1显示的电路可实现精确的电导率测量，从较低的μS到几百mS的范围，它还优化了 AD5934 在很大导纳范围内的整体精度。此外还集成了使用Pt100电阻温度检测器(RTD)的温度测量功能。该电路可以使用8引脚IMOD(I²C接口)连接器来连接到微处理器评估板，以实现快速原型开发(Digilent Pmod^™规格)。

该电路主要由四个模块组成。第一个模块是阻抗到数字转换器，包含：AD5934(U3)阻抗转换器；用于将交流信号偏置至VDD/2的跟随器(AD8606的一半，U2A)；使用AD8606的另一半的电流电压转换器配置U2B。有关AD5934工作的详细信息参见 电路笔记CN-0217 和AD5934数据手册。

第二个模块是可编程电阻反馈(R6、R8、R9)和校准电路(R3、R4、R7)以及8通道单刀单掷开关 ADG715 (U1)。它通过I²C串行接口控制ADG715，以实现测量范围和校准程序。

第三个模块是ADuM1250(U5)热插拔数字隔离器，用于将串行数据从AD5934(U3)传输到IMOD CON (J2)。第四个模块是ADuM5000(U4)，它是隔离式DC-DC转换器，具有3.3 V的输出电压，为电路提供电源。

但是，第三个模块和第四个模块是可选的，它们提供电路和微处理器评估板之间的电流隔离。除非必须隔离，否则这两个模块不是必需的。

该电路使用CON1 (J1)连接器连接到带有内置Pt100 RTD温度传感器的电导池。

利用一个稳定的低抖动FXO-HC536R-1 (U6)石英晶体振荡器，将施加于MCLK引脚的时钟频率设置为1 MHz。此隔离器让AD5934能够激励频率为2 kHz的电导池，非常适合电导率测量。

电路设计

图2显示了电路中使用的电导率和温度测量的优化信号链。AD5934具有四个可编程输出电压范围。每个范围都有对应的输出阻抗。例如，1.98 V p-p输出电压的输出阻抗一般为200 Ω(参见AD5934数据手册)。输出阻抗会影响阻抗测量精度，在低ohm范围内尤为突出。在信号链内的简易缓冲器可防止输出阻抗影响未知的阻抗测量。应选择低输出阻抗放大器，保证足够的带宽来适应AD5934的激励频率。针对 AD8605/AD8606/AD8608 系列的CMOS运算放大器，能够实现的低输出阻抗示例如图2所示。在增益为1时，此放大器的输出阻抗小于1 Ω(最高100 kHz)，这是AD5934的最高工作范围。

AD5934中的四个可编程输出电压范围具有四个关联的偏置电压(参见AD5934数据手册)。例如，1.98 V p-p激励电压需要1.48 V的偏置。但是，AD5934的电流电压(I-V)接收级设置为固定偏压VDD/2。因此，对于3.3 V电源，发射偏压为1.48 V，而接收偏压为3.3 V/2 = 1.65 V。此电位差会引起测试溶液Y_X极化，并可导致电导率测量不准确。一种解决方案是添加一个在低Hz范围内具有转折频率的简单高通滤波器(参见电路笔记CN-0217)。消除发射级的直流偏置，并将交流信号重新偏置至VDD/2，在整个信号链中保持直流电平恒定。R1和R5(10 kΩ)两者均使用精度0.1%的电阻作为偏置电阻以减少误差。 AD5934的I-V放大级还可能轻微增加信号链的误差。I-V转换级易受放大器的偏置电流、失调电压和共模抑制比(CMRR)影响。通过选择适当的外部分立放大器(U2B)来执行I-V转换，可以提高精度。选择AD8606的原因是该器件具有低失调电压(最大值65 μV)、低偏置电流(最大值1 pA)、高CMRR(通常为95 dB)、低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。该内部放大器随后可配置成一个简单的反相增益级。如 AN-1252 应用笔记中所述，R_FB仍根据系统的整体增益来选择。I-V转换器的输入和输出必须精确偏置为VDD/2。R12和R13(10 kΩ)两者均使用精度0.1%的电阻作为偏置电阻。 精度很大程度上取决于未知阻抗范围(电导率范围)相对于校准电阻R_CAL的大小幅度(参见电路笔记CN-0217和应用笔记AN-1252)。选择接近未知阻抗的R_CAL可实现更精确的测量，即以R_CAL为中心的未知阻抗范围越小，测量精度越高。因此，对于较大的未知阻抗范围，可在各种R_CAL电阻之间切换，如图2中所示。在R_CAL增益系数计算期间可通过校准消除开关的导通电阻(R_ON)误差。使用不同反馈电阻(R_FB)值(见图2)可优化ADC所获得信号动态范围。 为了改进图1中所示的大范围电导的精度，使用三个校准电阻R_CAL(100 Ω、1 kΩ和10 kΩ)、两个反馈电阻R_FB(100 Ω和10 kΩ)，由软件和 ADG715 八通道开关控制。电路设置为在两个范围内运行：

• 低范围：μS至mS，R_FB = 1 kΩ，R_CAL = 1 kΩ 和 10 kΩ
• 高范围：mS 至S， R_FB = 100 Ω，R_CAL = 100 Ω 和 1 kΩ

使用这两个范围，整体测量范围为25 μS t 至200 mS，精度高于1% FSR，如测试数据所示。可以选择R_CAL和R_FB的其他值以覆盖不同的范围。 CN0349 评估软件 允许电路在三种模式下工作。在模式1(图2中开关的位置1)中，低范围和高范围的校准程序都是自动执行的。在模式2(图2中开关的位置2)中，溶液的温度测量使用外部Pt100 RTD温度传感器自动执行。在模式3(图2中开关的位置3)中，测量溶液的实际电导率。

校准程序

对于图1显示的电路，校准程序使用三个精密电阻R_CAL(R3 =100 Ω、R4 = 1 kΩ和R7 = 10 kΩ)进行三点校准，较大程度地减小失调和增益误差，在每个范围内使系统线性化。对于每个范围，校准程序在输入范围的开头和末尾执行，使用两个参考信号(校准电阻)Y_L和Y_H，如图3所示。参考信号的值预加载在微控制器的存储器中，也可以通过键盘输入。

对于低范围校准点，参考信号是Y_L(例如，Y_L= 1/R7 =1/10000 Ω = 0.1 mS)。当参考信号Y_L连接时，将获取与参考信号Y_L相对应的代码N_L(幅值M_L)。同样，对于高范围校准点，参考是信号Y_H(例如，Y_H= 1/R4 = 1/1000 Ω = 1 mS)。当参考信号Y_H连接时，将获取与参考信号Y_H相对应的代码N_H(幅值M_H)。

然后按照公式1计算增益系数(GF)

系统的失调(N_OS)可通过参考图3确定，并按照公式2计算。

在测量模式中，未知输入信号(Y_X)在代码(N_X)中转换，并按照公式3计算。

对于高范围，程序是相同的，但参考信号如下：Y_L = 1/R4 = 1/1000 Ω = 1 mS，Y_H = 1/R3 = 1/100 Ω = 10 mS。

为了在低电导范围(高电阻)内实现更宽的测量范围，我们使用 AD5934的2 V p-p激励输出电压。为了在高电导范围(低电阻)内扩大测量范围，在保持2 V p-p激励输出电压的同时，还串行连接了一个精密电阻R₂ = 100 Ω，具有未知电导Y_X。可以使用其他输出电压范围来优化高电导范围(低电阻)内的ADC动态范围，如 电路笔记CN-0217 和 应用笔记 AN-1252中所示。

测试数据结果

使用图1中的校准值和反馈电阻，按照“电路设计”部分和“校准程序”部分中所述，我们进行了一系列试验。

表1、表2和表3显示了低范围模式和高范围模式下的结果。表4、表5和表6显示了每个范围的相对误差和相应读数。具有0.1%或0.2%容差的精密非感性电阻定义了输入(未知电导Y_X)。表中使用的符号定义如下：

• R_X：参考电阻
• Y_X：计算的参考电导率
• Y_R：测量的电导率(读数)
• R_R：测量的电阻(读数)
• R_R：校正的电阻 = R_R – R_R (对于 R_X = 0)

低范围电导率测量

表1显示了低范围测量的结果，图4显示了范围的相对误差百分比以及读数的相对误差百分比。在从25 μS到2500 μS的低范围中，读数的误差百分比不超过0.5%。

高范围电导率测量

表2显示了高范围测量的结果，图5显示了范围的相对误差百分比以及读数的相对误差百分比。在从0.2 mS到200 mS的高范围中，读数的误差百分比不超过3%。

表3显示了表2的结果，0.1903 Ω的电阻失调已校正。R_R列在表3中已经校正，通过从表2中的R_R列减去0.1903 Ω得出。

使用电导池的电导率测量

表4显示对以下六种0.1%精度标准KCl溶液进行的电导率测量结果：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。

使用的电导池是Sensorex CS200TC-PT1，其电导池常数等于1/cm，带有内置的Pt100 RTD温度传感器。

标准KCl溶液在专门的保加利亚实验室中配制，用作数据点来检查系统。当电导池的电导池常数未知时，也可以使用标准溶液作为校准点，而不是使用校准电阻。

有关电导率测量和标准溶液的更多信息，请参阅Shreiner,R.H和Pratt, K.W的《电解电导率的主要标准和标准参考材料》(2004)，NIST特别出版物260-142。

PCB布局考虑

在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB必须尽可能隔离数字部分和模拟部分。该系统的PCB采用简单的双层板堆叠而成，但采用4层板可以得到更好的电磁干扰/射频干扰(EMI/RFI)性能。有关布局和接地的详细论述，请参见 MT-031 指南； 有关去耦技术的更多信息，请参见 MT-101 指南 。采用10 μF和0.1 μF电容对AD8606电源去耦，以适当抑制噪声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近相应器件，0.1 μF电容应具有低有效串联电阻(ESR)值。对于所有高频去耦，建议使用陶瓷电容。电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。ADuM5000和ADuM1250 isoPower器件要求在输入和输出电源引脚上进行电源旁路。请注意，低ESR旁路电容必须尽可能靠近芯片焊盘。需要并联至少两个电容，以抑制噪声并减少纹波。对于V_DD1和V_ISO，推荐的电容值是0.1 μF和10 μF，它们适用于ADuM5000和ADuM1250。较小的电容必须具有低ESR，例如陶瓷电容。低ESR电容末端到输入电源引脚的走线总长不得超过2 mm。如果旁路电容的走线长度超过2 mm，可能会破坏数据。

更多信息参见ADuM5000数据手册和ADuM1250数据手册。

有关完整文档包，包括原理图、电路板布局和物料清单(BOM)，请参考 www.analog.com/CN0349-DesignSupport。

设置和编程

EVAL-CN0349-PMDZ 使用 CN-0349 评估软件 执行校准程序，并从电导池采集数据。图7显示了软件的校准窗口。单击“Calibrate”可初始化校准程序。该软件通过控制ADG715八通道开关，自动执行三点校准程序。为了正确执行校准程序，必须在三个校准电阻指标中填写正确的值。在自动校准程序中，软件在三个校准点进行测量，并将校准系数(增益系数G和系统失调N_OS)存储在软件存储器中，如“校准程序”部分中所述。针对两个测量范围，计算两个不同的校准系数，并将其存储在存储器中(G1和G2，N_OS1和N_OS2)。执行测量时，会根据选定的范围，选择相应的增益系数和系统失调。

图8显示了该软件的主窗口，其中显示了不同的测量结果。根据选择的范围，可以执行测量，并获取输入阻抗、电导率、温度和补偿电导率温度的值。要正确显示结果，必须正确选择探头校正的数据。

电导池常数必须与用于测量的常数相同。对于标准电导池，此常数通常在0.01/cm至10/cm之间。 失调指标用于失调校正，用mS/cm表示的失调值来更改测量值。 必须根据测量的溶液来选择温度系数。当此系数的值设置为0%/°C时，则不执行温度补偿。