化学分析と分析機器

Gas detection instruments are used in a wide range of applications ranging from home air quality measurement devices to industrial solutions for detecting toxic gases. Many of these instruments use electrochemical gas sensors. This sensor technology requires specialized front-end circuitry for biasing and measurement.

By utilizing built-in diagnostics features (such as impedance spectroscopy or bias voltage pulsing and ramping) it is possible to inspect sensor health, compensate for accuracy drift due to aging or temperature, and estimate the remaining lifetime of the sensor right at the edge of the sensor network without user intervention. This functionality allows smart, accurate sensor replacement at the individual edge nodes. An integrated, ultra low power microcontroller directly biases the electrochemical gas sensor and runs onboard diagnostic algorithms.

The circuit shown in Figure 1 shows how an electrochemical gas sensor is connected to the potentiostat circuit and how it is biased and measured. Common 2-lead, 3-lead, and 4-lead electrochemical gas sensors can be used interchangeably. The integration of this signal chain dramatically reduces cost, size, complexity, and power consumption at the sensor node.

Many important liquid analyses like pH rely on electrochemistry, a branch of chemistry that characterizes the behavior of reduction-oxidation (redox) reactions by measuring the transfer of electrons from one reactant to another. Electrochemical techniques can be used directly or indirectly to detect several important parameters that affect water quality, including chemical indicators, biological and bacteriological indicators and even some low level contaminants like heavy metals. Many of these indicative measurements are pertinent to determining important quality parameters of the tested analyte.

The circuit shown in Figure 1 is a modular sensing platform that allows the user to design a flexible electrochemical water quality measurement solution. Its high level of integration enables an electrochemical measurement platform applicable to a variety of water quality probes including pH, oxidation reduction potential (ORP), and conductivity cells.

The system allows up to four probes to be connected at one time for different water quality measurements.

図1に示す回路は、測光用フロント・エンドおよび、波長860nmの赤外（IR）発光素子とシリコンPINフォトダイオードからなるネットワークを使用して、濁度測定システムを構成したものです。濁度は、水中に分散または浮遊し飲用水や環境条件に影響する固体の存在を示す重要な水質指標で、これらの浮遊固体が光の透過率を低下させる度合いによって示される、定性的な特性です。濁度測定では、水中の分散粒子を直接測定するのではなく、そのような粒子が光に及ぼす散乱効果を測定します。

このシステムでは、0FTU～1000FTUの範囲にわたる低レベルから高レベルの濁度を測定できます。IR LEDおよびフォトダイオードからなるネットワークは、一般に広く認められている2つの濁度測定規格である、ISO7027（レシオおよび非レシオ）とGLI法に対応できるように構成されています。3点キャリブレーションを行った場合、システムが実現可能な精度（代表値）は、±0.50FTUまたは指示値の±5%のいずれか大きいほうとなります。この精度は0.05FTUのノイズ・レベルを加えた値なので、このシステムで行った測定は非常に信頼できるものと言えます。

ADPD105には周辺光除去機能があるため、この回路は、高精度、堅牢、非接触の濁度測定が重要なアプリケーションに最適なものとなっています。こうしたアプリケーションには、未加工の大量の水（下水や飲用水など）の化学分析や環境モニタリングがあります。

プリント回路基板（PCB）は、Arduinoシールド互換のフォーム・ファクタで設計されており、EVAL-ADICUP360 Arduinoフォーム・ファクタ互換のプラットフォーム・ボードと直接インターフェースすることで、迅速なプロトタイピングが可能です。

The circuit shown in Figure 1 is a complete thermopile-based gas sensor using the nondispersive infrared (NDIR) principle. This circuit is optimized for CO₂ sensing, but can also accurately measure the concentration of a large number of gases by using thermopiles with different optical filters.

The printed circuit board (PCB) is designed in an Arduino shield form factor and interfaces to the EVAL-ADICUP360 Arduino-compatible platform board. The signal conditioning is implemented with the AD8629 and the ADA4528-1 low noise amplifiers and the ADuCM360 precision analog microcontroller, which contains programmable gain amplifiers, dual 24-bit Σ-Δ analog-to-digital converters (ADCs), and an ARM Cortex-M3 processor.

The circuit shown in Figure 1 is an integrated 2-wire, 3-wire, or 4-wire resistance temperature detector (RTD) system based on the AD7124-4/AD7124-8 low power, low noise, 24-bit Σ-Δ analog-to-digital converter (ADC) optimized for high precision measurement applications.

This circuit note uses a Class B Pt100 RTD sensor with an accuracy of ±0.3°C at 0°C but it can support other classes such as Class A, Class AA, 1/3 DIN, or 1/10 DIN that are higher accuracy RTDs. This circuit also has provision for Pt1000 RTDs that are useful in low power applications.

The AD7124-4/AD7124-8 can achieve high resolution, low nonlinearity, and low noise performance as well as high 50 Hz and 60 Hz rejection, suitable for industrial RTD systems. The typical peak to peak resolution of the system is 0.0043°C (17.9 bits) for full power mode, sinc4 filter selected, at an output data rate of 50 SPS, and 0.0092°C (16.8 bits) for low power mode, post filter selected, at an output data rate of 25 SPS. These settings show that the system accuracy is significantly better than the sensor accuracy.

The AD7124-4/AD7124-8 integrate several important system building blocks required to support RTD measurements. Functions, including programmable excitation current sources and a programmable gain amplifier (PGA), excite and gain the RTD, respectively, which allows direct interfacing with the sensor and simplifies the design while reducing cost and power consumption.

Several options of the on-chip digital filtering and three integrated power modes, where the current consumption, range of output data rates, settling time, and rms noise are optimized, provide application flexibility. The current consumed in low power mode is only 255 μA and in full power mode is 930 μA. In power-down mode, the complete ADC along with its auxiliary functions are powered down so that the AD7124-4/AD7124-8 consume 1 μA typical. The power options make the AD7124-4/AD7124-8 suitable for nonpower critical applications, such as input modules, and also for low power applications, such as loop-powered smart transmitters where the complete transmitter must consume less than 4 mA.

The AD7124-4/AD7124-8 also have extensive diagnostic functionality integrated as part of its comprehensive feature set. This functionality can be used to check that the voltage level on the analog pins are within the specified operating range. These devices also include a cyclic redundancy check (CRC) on the serial peripheral interface (SPI) bus and signal chain checks, which leads to a more robust solution. These diagnostics reduce the need for external components to implement diagnostics, resulting in a smaller solution size, reduced design cycle times, and cost savings.

The circuit shown in Figure 1 is an integrated thermocouple measurement system based on the AD7124-4/AD7124-8 low power, low noise, 24-bit, Σ-Δ analog-to-digital converter (ADC), optimized for high precision measurement applications. Thermocouple measurements using this system show an overall system accuracy of ±1°C over a measurement temperature range of −50°C to +200°C . Typical noise free code resolution of the system is approximately 15 bits.

The AD7124-4 can be configured for 4 differential or 7 pseudo differential input channels, while the AD7124-8 can be configured for 8 differential or 15 pseudo differential channels. The on-chip low noise programmable gain array (PGA) ensures that signals of small amplitude can be interfaced directly to the ADC.

The AD7124-4/AD7124-8 establishes the highest degree of signal chain integration, which includes programmable low drift excitation current sources, bias voltage generator, and internal reference. Therefore, the design of a thermocouple system is simplified when the AD7124-4/AD7124-8 is used because most of the required system building blocks are included on-chip.

The AD7124-4/AD7124-8 gives the user the flexibility to employ one of three integrated power modes, where the current consumption, range of output data rates, and rms noise are tailored with the power mode selected. The current consumed by the AD7124-4/AD7124-8 is only 255 μA in low power mode and 930 μA in full power mode. The power options make the device suitable for non-power critical applications, such as input/output modules, and also for low power applications, such as loop-powered smart transmitters where the complete transmitter must consume less than 4 mA.

The device also has a power-down option. In power-down mode, the complete ADC along with its auxiliary functions are powered down so that the device consumes 1 μA typical. The AD7124-4/AD7124-8 also has extensive diagnostic functionality integrated as part of its comprehensive feature set.

図 1 のシステム機能図は、フェムトアンペア範囲までの微小電流を計測するための高精度アナログ・フロント・エンドです。業界最先端のこのソリューションは、フォトダイオード、光電子増倍管、ファラデー・カップなどのシグナル・コンディショニング電流出力センサー用に超高感度のアナログ・フロント・エンドが必要とされる化学分析装置や研究室用の計測機器に最適です。このソリューションの応用分野としては、質量分析、クロマトグラフィー、電量分析などがあります。

EVAL-CN0407-SDPZ は、低リークのメザニン・ボードとデータ・アクイジション・ボードにシステムを分割することにより、実際のアプリケーションのリファレンス設計とすることができます。入力信号コンディショニングは、メザニン・ボード上の ADA4530-1 によって行います。ADA4530-1 は電位計グレードのアンプで、バイアス電流値は85 ℃ において最大 20 fA ときわめて微小です。また、入力ピンを絶縁してプリント回路基板（PCB）へのリーク電流を防ぐために、チップ内にガード・バッファを内蔵しています。デフォルトのアンプ構成はトランスインピーダンス・モードで、リーク電流がボードの高インピーダンス・パスに入り込むのを防ぐ ために、10 GΩ のガラス抵抗と金属シールドを使用しています。さらに、表面実装帰還抵抗や、その他の入力構成によるプロトタイピングが可能なように、メザニン・ボードには、抵抗およびコンデンサ用の空きパッドが設けられています。

データ・アクイジション・ボードでは、24 ビットの AD7172-2ΣΔ A/D コンバータ（ADC）と、9 V DC の単電源を使用します。このオンボード電源は、2 枚のボードに電源を供給するために必要なすべての電圧を生成します。ボードは SDP-S ボード（EVAL-SDP-CS1Z）を介して PC に接続し、デジタル絶縁を使用してUSB バスやグラウンド・ループからのノイズを防ぐことによって、低電流計測の性能が低下しないようにします。

図1の回路は、変調光源トランスミッタ、チャンネルごとのプログラマブル・ゲイン・トランスインピーダンス・アンプ、超低ノイズの24ビットΣ-Δ A/Dコンバータ（ADC）を備えたデュアル・チャンネル色度計です。ADCの出力は、標準FPGAメザニン・カードに接続されています。FPGAはサンプル・データをADCから取得して、同期検出アルゴリズムを実行します。

一定（DC）光源ではなく変調光とデジタル同期検出を使用することによって、このシステムは変調周波数以外の周波数のあらゆるノイズ源を除去し、優れた精度を与えます。

デュアル・チャンネル回路は、サンプル容器とリファレンス容器内の液体が吸収する光の比率を、3つの異なる波長で測定します。この測定は、吸収分光法による物質の濃度測定と特性評価に使用する、多くの化学分析用および環境モニタリング用計測器の基礎となります。

The circuit shown in Figure 1 is a completely self-contained, microprocessor controlled, highly accurate conductivity measurement system ideal for measuring the ionic content of liquids, water quality analysis, industrial quality control, and chemical analysis.

A carefully selected combination of precision signal conditioning components yields an accuracy of better than 0.3% over a conductivity range of 0.1 μS to 10 S (10 MΩ to 0.1 Ω) with no calibration requirements.

Automatic detection is provided for either 100 Ω or 1000 Ω platinum (Pt) resistance temperature devices (RTDs), allowing the conductivity measurement to be referenced to room temperature.

The system accommodates 2- or 4-wire conductivity cells, and 2-, 3-, or 4-wire RTDs for added accuracy and flexibility.

The circuit generates a precise ac excitation voltage with minimum dc offset to avoid a damaging polarization voltage on the conductivity electrodes. The amplitude and frequency of the ac excitation is user-programmable.

An innovative synchronous sampling technique converts the peak-to-peak amplitude of the excitation voltage and current to a dc value for accuracy and ease in processing using the dual, 24-bit Σ-Δ ADC contained within the precision analog microcontroller.

The intuitive user interface is an LCD display and an encoder push button. The circuit can communicate with a PC using an RS-485 interface if desired, and operates on a single 4 V to 7 V supply.

図1に示す回路は、高精度の自動温度補償機能を持つ、完全絶縁型の低消費電力 pH センサー・シグナル・コンディショナ／デジタイザです。

この回路は精度0.5%で0～14のpH値の測定が可能で、14ビットを超えるノイズフリー・コード分解能があり、化学物質、食品加工、水、廃水などの分析といったさまざまな産業用アプリケーションに適しています。

この回路は、1 MΩ から数GΩにおよぶ非常に高い内部抵抗を有する広範なpHセンサーに対応しており、デジタル信号と電源のアイソレーションにより過酷な産業環境の中のノイズや過渡電圧に対する耐性があります。

図1に示した回路は電気化学センサーを使用した単電源、低消費電力バッテリ駆動、携帯用ガス検出器です。例としてAlphasense社の一酸化炭素センサーCO-AXを使用しました。

電気化学センサーは数多くの毒ガスの濃度を検出又は測定する計測器に対して多くの利点があります。ほとんどのセンサーはガスによって決まっており、百万個に１個（ppm）以下のガス濃度でも使用可能な分解能があります。それらはごくわずかな電流で動作するので携帯用バッテリ駆動計測器に最適です。

図1に示す回路で最大入力バイアス電流2 pA（室温）、消費電流がわずか10 μA／アンプのデュアル・マイクロパワー・アンプADA4505-2を使用します。さらに、高精度、低ノイズ、マイクロパワー・レファレンスのADR291 は消費電流がわずか12 μAで、2.5 Vコモンモード仮想グラウンド・リファレンス電圧を定めます。

高効率、降圧／昇圧レギュレータADP2503 は2本の単4電池による単電源動作が可能で、パワーセーブ・モード動作時の消費電力はわずか38 μAです。

図1に示す回路の全消費電力（ADCの AD7798 を除く）は通常状態（ガスが検出されない）で110 μA、最悪の状態（2000 ppmのCO検出時）では460 μAです。AD7798の消費電流は動作（G = 1、バッファ・モード）時には約180 μAで、パワーセーブ・モードではわずか1 μAです。

回路の消費電力は極めて低いので、電源は2本の単4電池で動作可能です。ADCとマイクロコントローラに接続した時、あるいはADC内蔵マイクロコントローラに接続した時、バッテリの寿命は6ケ月～1年になります。

図 1に示す回路は変調した光源使用の送信器と同期検波器の受信器を特徴とする2チャンネル色度計です。この回路はサンプル・コンテナとリファレンス・コンテナによって吸収された光の比率を3種類の波長で測定します。

濃度の測定や、吸収分光を通して材料の特性評価するために使用される多くの化学的解析機器や環境モニター機器にこの回路は十分なソリューションを提供します。

フォトダイオード受信器の信号処理経路にはダイオード電流を電圧に変換したり、光の吸収に大きなばらつきがある違う種類の液体を解析する事ができるプログラマブル・ゲイン・トランスインピーダンス・アンプがあります。16ビット・シグマ・デルタ(Σ-Δ) A/Dコンバータ(ADC)によってダイナミック・レンジがさらに広くなり、広範囲のフォトダイオード出力電流にわたって十分な分解能が得られます。

一定の信号源(DC)よりもむしろ変調された信号源と同期検波器を使用する事により周辺の光や低周波ノイズによる測定誤差が減少し、より高精度になります。

図 1 に示す回路は、2 チャンネル、バンク絶縁型の広帯域データ・アクイジション（DAQ）システムで、各チャンネルに A/Dコンバータ（ADC）を使用する同時サンプリング・アーキテクチャを採用しています。このシステムは、バンクとデジタル・バックプレーンとの間に絶縁を施し、高いチャンネル密度を実現し、比類のない性能を提供します。さらに、この設計ではADC をデイジーチェーン・モードで構成し、調整済みの遅延クロック機能を持つアイソレータ製品を使用することで、絶縁チャンネルを有効に活用しています。電源部も簡素化され、パルス幅変調（PWM）コントローラとトランス・ドライバを内蔵したアイソレータを使用して、絶縁障壁間での DC/DC 変換を行います。さらに、システムには入力回路保護、プログラマブル・ゲイン・チャンネル、高精度、高性能といった、代表的な DAQシグナル・チェーンが標準で有する多くの特長を備えています。

同時サンプリングによって、マルチプレクス DAQ シグナル・チェーン固有のサンプリング・レートの制限を受けずに、多チャンネルを実現できます。システムのセトリング性能条件がそれほど厳しくないため、アナログ・フロント・エンド（AFE）の設計もマルチプレクス・オプションよりも簡素化されます。シーケンシャルなサンプリングシステムではチャンネル間で遅延があるのに対し、このシステムではサンプリングは各チャンネルで同時に行われます。

デジタル・バンク絶縁型の DAQ 設計により、デジタル・バック・エンド回路が保護され、バンク間のグラウンド・ループおよびコモンモード干渉が低減されます。これらの機能によって、グラウンド・プレーンあたりのマルチプレクス DAQ シグナル・チェーンが可能となり、チャンネルごとに絶縁化するシステムに比べ、デジタルの絶縁デバイスの数を少なくすることができます。

アナログ・デバイセズのADA4945-1CP-EBZ評価用ボードを使用することで、ADA4945-1完全差動アンプの性能を評価できます。ADA4945-1CP-EBZ評価用ボードは、シングルエンドまたは差動の入力信号を受け入れるよう設定できます。

適切なジャンパを適用すれば、ADA4945-1の出力クランプレベルをハイおよびローに設定すること、出力コモンモード電圧を設定すること、ハイ・パワー・モードまたはロー・パワー・モードに設定すること、デジタル・グラウンド・レベルを設定することができます。

回路の柔軟性と性能が最高となるよう、部品の配置と電源バイパスが設定されています。

入出力信号は、50Ωのサイド・ローンチのSMA（サブミニチュア・バージョンA）コネクタを介してボードに印加されます。

ADA4945-1のすべての仕様は、ADA4945-1データシートに記載されています。ADA4945-1CP-EBZ評価用ボードを使用する場合は、このユーザ・ガイドとデータシートを組み合わせて参照してください。

ADuCM355オンチップ・システムは、様々な電気化学式センサーにバイアスをかけるためや測定するために必要な機能を提供します。EVAL-ADuCM355QSPZでは、クロノアンペロメトリ、ボルタンメトリ、電気化学インピーダンス分光法（EIS）など様々な電気化学的手法を実装した場合のADuCM355の性能を評価することができます。

UG-1201 では、ADA4625-1 用の評価用ボードについて説明します。ADA4625-1 は、低ノイズ、高速セトリング、単電源、レール to レール出力（RRO）、接合型電界効果トランジスタ（JFET）オペアンプで、露出パッド付きの 8 ピン・スモール・アウトライン集積回路（SOIC）パッケージに収容されています。この評価用ボードの設計では、簡潔さと使いやすさが重視されています。この 2 層評価用ボードは、入出力にエッジ・マウント・サブミニチュア・バージョン A（SMA）コネクタを採用しています。SMA コネクタにより、テスト装置やその他の回路へ容易に接続することができます。

回路で最高の柔軟性と性能を得られるように、評価用ボードではグラウンド・プレーン、部品の配置、および電源バイパスが最適化されています。ADA4625-1 の露出パッドは、熱性能とノイズ性能を強化するために、評価用ボードのグラウンド・プレーンに接続されています。この評価用ボードでは、最大標準サイズ 1206 のバイパス・コンデンサ、コンデンサ C3 とコンデンサ C5 を除き、ケース・サイズ 0603 と 0805 の表面実装技術（SMT）部品を組み合わせて使用します。また、アクティブ・ループ・フィルタやトランスインピーダンス・アンプ（TIA）、チャージ・アンプなど、多様な選択肢と高い柔軟性を基に幅広いアプリケーション用の回路や構成を実現できるように、さまざまな抵抗およびコンデンサ用の空きパッドも設けられています。

ADA4625-1 のデータシートでは、デバイスの動作の仕様と詳細、およびアプリケーション用の回路の構成とガイダンスを説明しています。デバイスの動作を詳しく理解するため、特に評価用ボードを初めて使用する際は、UG-1201 と併せてこのデータシートを参照してください。

The EVAL-ADAQ7980SDZ is an evaluation board designed to demonstrate the low power ADAQ7980 performance and provide an easy to understand interface for a variety of system applications. The ADAQ7980 is a 16-bit, 1 MSPS, μModule data acquisition system that integrates four common signal processing and conditioning blocks into a system in package (SiP) design that supports a variety of applications

The EVAL-ADAQ7980SDZ can also evaluate the ADAQ7988, despite being populated with the ADAQ7980. To mimic the evaluation of the ADAQ7988 performance, limit the maximum sample rate of the ADAQ7980 to 500 kSPS in the ADAQ798x Evaluation Software.

The evaluation board is ideal for use with the Analog Devices, Inc., system demonstration platform (SDP) board, EVAL-SDP-CB1Z. The EVAL-ADAQ7980SDZ interfaces to the SDP board via a 120-pin connector. P1, P2, P3, and P4 SMA connectors are provided to connect a low noise analog signal source.

The ADAQ798x Evaluation Software executable controls the evaluation board over the USB through the EVAL-SDP-CB1Z. See the Related Links section for a list of on-board components

A full description and complete specifications for the ADAQ7980 are provided in the ADAQ7980/ADAQ7988 data sheet and must be consulted in conjunction with this user guide when using the evaluation board. Full details on the EVAL-SDP-CB1Z are available on the SDP-B product page.