Обзор

Ресурсы проектирования

Файлы проектирования и интеграции

  • Схема
  • Спецификация
  • Файлы Gerber
  • Файлы PADS
  • Сборочный чертеж
Загрузить файлы проектов 966 kB

Оценочные платы

Буква "Z" в наименовании компонента указывает на соответствие требованиям RoHS. Отмеченные платы нужны для оценки данной схемы

  • EVAL-CN0234-SDPZ ($159.00) Single Supply, Micropower Toxic Gas Detector Using an Electrochemical Sensor
  • EVAL-SDP-CB1Z ($99.00) Eval Control Board
Проверка наличия и приобретение

Драйверы устройств

ПО (код на С и/или FPGA) для связи с цифровым интерфейсом компонента.

AD7799 - Драйвер микроконтроллера, не требующий ОС

Особенности и преимущества

  • Готовый электрохимический датчик
  • Малое энергопотребление
  • Один однополярный источник питания

Функции и преимущества схемы

Схема, показанная на рисунке 1, представляет собой малопотребляющий портативный детектор газа на основе электрохимического датчика, работающий с однополярным питанием. В данном примере используется датчик угарного газа Alphasense CO-AX.

Электрохимические датчики обладают рядом преимуществ, благодаря которым могут успешно применяться в составе приборов, предназначенных для обнаружения или измерения концентрации многих токсичных газов. Большинство датчиков рассчитаны на обнаружение конкретного газа и имеют допустимое разрешение концентрации газа менее одной части на миллион (ppm). Такие устройства потребляют очень малое количество тока, благодаря чему они оптимально подходят для применения в составе портативных измерительных приборов с батарейным питанием.

В схеме, представленной на рисунке 1, используется двухканальный малопотребляющий усилитель ADA4505-2, который имеет максимальный входной ток смещения 2 пА при комнатной температуре и потребляет всего 10 мкА на усилитель. Помимо этого, также используемый в данной схеме прецизионный, малошумящий, малопотребляющий источник опорного напряжения ADR291 потребляет всего 12 мкА и обеспечивает синфазное опорное напряжение виртуального нуля 2,5 В.

Рисунок 1. Схема малопотребляющего детектора газа


Характеризующийся высоким КПД понижающе-повышающий стабилизатор ADP2503 позволяет работать схеме с одной шиной питания, напряжение на которой обеспечивается с помощью двух батареек типа AAA, при этом он потребляет всего 38 мкА при работе в режиме энергосбережения.

Общая потребляемая мощность всех элементов схемы, представленной на рисунке 1 (кроме АЦП AD7798), составляет примерно 110 мкА в нормальных условиях (газ не обнаружен) и 460 мкА в наихудших условиях (обнаружено 2000 ppm угарного газа). AD7798 потребляет примерно 180 мкА в рабочем режиме (G = 1, режим буферизации) и всего 1 мкА в режиме энергосбережения.

Благодаря тому, что схема потребляет очень мало энергии, две батарейки типа AAA могут быть подходящим источником питания. При подключении данной схемы к АЦП и микроконтроллеру или микроконтроллеру со встроенным АЦП устройство сможет проработать от шести месяцев до одного года на одном заряде батарей.

Описание схемы

На рисунке 2 представлена упрощенная схема измерительной цепи электрохимического датчика. Принцип работы электрохимических датчиков заключается в диффундировании газа в датчик через мембрану и его взаимодействии с рабочим электродом (WE). Опорный электрод датчика (RE) обеспечивает обратную связь для поддержания постоянного потенциала на выводе WE путем изменения напряжения на противоэлектроде (CE). Направление тока на выводе WE зависит от того, происходит ли реакция окисления или восстановления. В случае с измерением окиси углерода происходит реакция окисления, следовательно, ток течет в рабочий электрод, для чего требуется, чтобы противоэлектрод имел отрицательное напряжение (обычно от 300 мВ до 400 мВ) по отношению к рабочему электроду. Операционный усилитель, подключенный к выводу CE, должен иметь диапазон выходного напряжения приблизительно ±1 В относительно опорного напряжения VREF, чтобы обеспечить достаточный запас для работы с различными типами датчиков (Указания по применению Alphasense AAN-105-03, Проектирование потенциостатической схемы, Alphasense, Ltd.).

Рисунок 2. Упрощенная схема электрохимического датчика


Ток, входящий в WE, составляет менее 100 нА на миллионную долю (ppm) концентрации газа, поэтому для преобразования этого тока в выходное напряжение требуется трансимпедансный усилитель с очень низким входным током смещения. Операционный усилитель ADA4505-2 имеет входы КМОП с максимальным входным током смещения 2 пА при комнатной температуре, благодаря чему данный операционный усилитель оптимально подходит для данного случая применения.

Источник опорного напряжения ADR291 на 2,5 В устанавливает для схемы опорный сигнал виртуального нуля, что позволяет работать с однополярным питанием при очень небольшом токе покоя.

Усилитель U2-A потребляет генерируемый на выводе CE ток, достаточный для поддержания потенциала 0 В между выводами WE и RE датчика. Вывод RE подключен к инвертирующему входу U2-A, следовательно, в него не течет и не выходит из него никакой ток. Это означает, что ток поступает из вывода WE и изменяется линейно с изменением концентрации газа. Трансимпедансный усилитель U2-B преобразует ток датчика в напряжение, пропорциональное концентрации газа.

Датчик, выбранный для использования в этой схеме, представляет собой датчик угарного газа Alphasense CO-AX. В таблице 1 приведены типовые характеристики, свойственные датчикам угарного газа подобного рода.

Предупреждение: окись углерода является токсичным газом, и его концентрации выше 250 ppm могут быть опасными, поэтому будьте предельно осторожны при проведении испытаний данной схемы.

Таблица 1. Стандартные характеристики датчика окиси углерода
Параметр Значение
Чувствительность От 55 нА/ppm до 10 нА/ppm (тип.65 нА/ppm)
Время отклика (t90 от 0 ppm до 400 ppm окиси углерода) <30 секунд
Диапазон (ppm окиси углерода, диапазон, в котором гарантировано поддержание рабочих характеристик) От 0 ppm до 2000 ppm
Предел превышения диапазона (поддержание рабочих характеристик не гарантируется) 4000 ppm


Выходное напряжение трансимпедансного усилителя составляет:

CN0234_equation1

где IWE – ток, входящий в WE, а RF – резистор обратной связи трансимпедансного усилителя (на рисунке 1 показан как R8).

Пик переходного процесса датчика CO-AX составляет 100 нА/ppm, а его максимальный диапазон входного сигнала составляет 2000 ppm монооксида углерода (угарного газа). Учитывая это, максимальный выходной ток составит 200 мкА, а максимальное выходное напряжение определяется резистором трансимпедансного усилителя, как показано в уравнении 2.

CN0234_equation2

При работе схемы с напряжением питания 5 В на выходе трансимпедансного усилителя U2-B диапазон полезного сигнала составит 2,5 В. При использовании резистора с сопротивлением 11,5 кОм в качестве резистора обратной связи трансимпедансного усилителя будет обеспечено максимальное выходное напряжение 4,8 В, что позволяет примерно на 8% выходить за пределы диапазона.

Учитывая типичный пик переходного процесса датчика, составляющий 65 нА/ppm, с помощью уравнения 3 можно определить выходное напряжение цепи как функцию от ppm монооксида углерода.

CN0234_equation3

Резистор R4 обеспечивает приемлемый уровень усиления шума. При выборе номинала этого резистора следует соблюдать компромисс между величиной усиления шума и погрешностью времени установления сигнала датчика при воздействии газа с высокой концентрацией. В рамках данного примера было выбрано сопротивление R4 = 33 Ом, вследствие чего коэффициент усиления шума составил 349, как показано в уравнении 4.

CN0234_equation4

Шум на входе трансимпедансного усилителя появляется на выходе, но он будет усилен коэффициентом усиления шума. В рамках данной схемы нас интересует только низкочастотный шум, потому что частота работы датчика очень низкая. Шум входного напряжения усилителя ADA4505-2 в частотном диапазоне от 0,1 до 10 Гц составляет 2,95 мкВ (в размахе), следовательно, шум на выходе составит 1,03 мВ (в размахе), как показано в уравнении 5.

CN0234_equation5

Поскольку это очень низкочастотный фликкер-шум (1/f), его очень трудно отфильтровать. Впрочем, переходный процесс датчика также очень медленный, следовательно, мы можем воспользоваться этим свойством, установив очень низкочастотный фильтр нижних частот (состоящий из R5 и C6) с частотой среза 0,16 Гц. Даже с таким низкочастотным фильтром влияние шума на время переходного процесса датчика будет незначительным, учитывая, что время переходного процесса датчика составляет 30 секунд.

Одной из важных характеристик электрохимических датчиков является их очень большая постоянная времени. При первом включении может потребоваться несколько минут для того, чтобы выходной сигнал установился на свое окончательное значение. При появлении на входе среднего скачкообразного сигнала концентрации измеряемого газа время, необходимое для того, чтобы выходной сигнал датчика достиг 90% от его конечного значения, может составлять от 25 до 40 секунд. Если напряжение между выводами RE и WE резко изменится, то для стабилизации выходного тока датчика может потребоваться несколько минут. Такая закономерность наблюдается и при включении и выключении питания датчика. Чтобы время включения не было слишком долгим, в схему был добавлен P-канальный полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET) Q1, который закорачивает вывод RE на вывод WE, когда напряжение питания падает ниже порогового напряжения затвор-исток JFET (около 2,5 В).

Схема может получать питание от двух батареек типа AAA или от источника питания с выходным напряжением в диапазоне от 2,3 В до 5,5 В. Транзистор Q2 обеспечивает защиту от обратного напряжения, а ADP2503 стабилизирует входное напряжение на уровне 5 В, которое необходимо для питания датчика.

Основные варианты исполнения

Если вместо фиксированного резистора (R8) трансимпедансного усилителя установить программируемый реостат, такой как AD5271, схему можно использовать с различными датчиками газа без изменения спецификации. AD5271 доступен с номинальными значениями сопротивления 20 кОм, 50 кОм или 100 кОм. Данный компонент имеет 256 положений изменения сопротивления, благодаря чему, например, в случае с использованием варианта на 100 кОм шаг изменения сопротивления составит в 390,6 Ом. Температурный коэффициент сопротивления AD5271, составляющий 5 ppm/°C, лучше, чем у большинства дискретных резисторов, а благодаря тому, что данный компонент потребляет всего 1 мкА, он практически не влияет на энергопотребление системы.

Хотя две батарейки типа AAA могут питать представленную на рисунке 1 схему в течение нескольких месяцев, некоторые приборы могут работать от внешнего источника питания. Самым эффективным способом реализации схемы с двумя источниками питания является использование разъема питания со встроенным переключателем и функцией механического отключения, которая автоматически отключает питание от батареек, когда внешний штекер питания вставляется в разъем.

Рассматриваемая схема работает с очень низким энергопотреблением. При использовании двух операционных усилителей ADA4528-1 вместо одного ADA4505-2 можно добиться гораздо меньшего уровня шума и более высокой точности, но при этом будет увеличено энергопотребление. ADA4528-1 обеспечивает практически нулевой дрейф смещения, поддерживая самый низкий в отрасли уровень шума входного напряжения.

Аналогичным образом ADR291 можно заменить на ADR3425, который характеризуется очень малым дрейфом при изменении температуры, но при этом будет увеличено потребление тока.

Наконец, схема, представленная на рисунке 1, может быть подключена к 12-разрядному АЦП, например, к преобразователю в составе микроконтроллера обработки смешанных сигналов.

В устройствах, которые должны измерять доли ppm концентрации газа, использование ADA4528-1 и ADR3425 будет оптимальным для дальнейшего подключения схемы к 16-разрядному АЦП, например, к AD7798 или AD7171.

Оценка параметров и тестирование схемы

В этой схеме используется оценочная плата EVAL-CN0234-SDPZ и оценочная плата демонстрационной системной платформы (SDP) EVAL-SDP-CB1Z. Кроме того, для соединения этих двух печатных плат вместе требуется небольшая плата адаптера, входящая в комплект EVAL-CN0234-SDPZ. EVAL-CN0234-SDPZ содержит 16-разрядный сигма-дельта АЦП AD7798, который предназначен для преобразования выходного напряжения схемы в цифровую форму.

Для сбора данных с оценочной платы EVAL-CN0234-SDPZ имеется оценочное программное обеспечение CN-0234, которое обеспечивает связь с платой SDP.


Необходимое аппаратное обеспечение

Для оценки работы схемы требуется следующее аппаратное обеспечение:

  • ПК с портом USB и операционной системой Windows® XP или Windows Vista (32-разрядная версия) или Windows 7 (32-разрядная версия)
  • Оценочная плата EVAL-CN0234-SDPZ и плата адаптера
  • Оценочная плата SDP EVAL-SDP-CB1Z
  • Оценочное программное обеспечение CN0234
  • Две батарейки типа ААА
  • Газ для калибровки устройства (рекомендуется угарный газ с концентрацией менее 250 ppm)


Начало работы

Загрузите оценочное программное обеспечение, вставив компакт-диск с оценочным программным обеспечением CN0234 в CD-привод ПК. Через иконку «Мой компьютер» найдите привод, на котором находится компакт-диск с оценочным программным обеспечением, и откройте файл Readme. Следуйте содержащимся в файле Readme инструкциям для установки и использования оценочного программного обеспечения.


Функциональная блок-схема

Функциональная блок-схема испытательной установки показана на рисунке 3. В PDF-файле с описанием EVAL-CN0234-SDPZ-SCH можно найти полную принципиальную схему. Этот файл содержится в пакете поддержки проектирования CN0234.


Рисунок 3. Функциональная блок-схема испытательной установки


Настройка

Подключите 10-контактный разъем платы EVAL-CN0234-SDPZ к плате адаптера, а 120-контактный разъем платы адаптера к разъему CON A оценочной платы EVAL-SDP-CB1Z SDP. Используйте нейлоновые крепления, чтобы надежно прикрепить плату адаптера к плате SDP, используя отверстия на концах 120-контактных разъемов. Подключите электрохимический датчик к разъему оценочной платы EVAL-CN0234-SDPZ.

При выключенном переключателе питания вставьте две батарейки типа AAA в держатели для батареек.

Подключите USB-кабель, поставляемый с платой SDP, к USB-порту ПК и к плате SDP. Плата SDP будет получать питание от USB-порта ПК.


Испытания

Переведите переключатель питания на печатной плате EVAL-CN0234-SDPZ в положение «on» («вкл») и запустите оценочное программное обеспечение. Программное обеспечение может взаимодействовать с платой SDP, если драйвер системной платформы разработки компании Analog Devices отображается в диспетчере устройств. Когда связь посредством интерфейса USB будет установлена, плата SDP теперь сможет отправлять и получать по последовательному интерфейсу данные от оценочной платы EVAL-CN0234-SDPZ.

В файле readme оценочного программного обеспечения CN0234 содержится информация и подробные сведения о том, как использовать оценочное программное обеспечение для сбора данных. В руководстве пользователя SDP содержится информация о плате SDP.

Входным сигналом для этой платы является сигнал концентрации газа, следовательно, требуется некий источник в виде газа для калибровки. При использовании в рамках испытаний угарного газа учитывайте, что концентрация 250 ppm – это максимальный предел при кратковременном воздействии.

Чтобы выполнить калибровку системы, сначала убедитесь в отсутствии угарного газа. Чтобы начать сбор данных, нажмите «Start Acquisition». Выберите «Set Zero» в меню «Calibrate». Если вас устраивает полученное с помощью АЦП показание, нажмите «OK», и текущее показание АЦП будет сохранено как нулевая точка. Подайте калибровочный газ и, когда выходной сигнал датчика полностью стабилизируется, выберите «Set Span» в меню «Calibrate». Введите концентрацию используемого калибровочного газа и нажмите «OK». Это позволит сохранить диапазон системы.

Чтобы применить данные калибровки системы, установите флажок напротив «Display Calibrated Data» на передней панели.

Если флажок напротив «Display Calibrated Data» не установлен, программа будет работать со значениями масштабирования, принятыми по умолчанию, при этом будет предполагаться, что номинальный пик переходного процесса датчика составляет 65 нА/ppm и ошибки смещения отсутствуют.

Чтобы сохранить данные калибровки в файл, выберите «Save Calibration Constants to File» в меню «File». Чтобы использовать ранее сохраненные данные калибровки, выберите «Load Calibration Constants from File».

На рисунке 4 показан переходный процесс схемы на скачкообразное изменение концентрации угарного газа на 50 ppm. Более быстрое начальное время нарастания определяется переходным процессом датчика, а длинный «хвост» – функцией испытательной камеры.

Рисунок 4. Переходный процесс при скачкообразном изменении концентрации угарного газа от 0 ppm до 50 ppm


На рисунке 5 показан переходный процесс схемы после быстрого извлечения датчика из атмосферы с концентрацией угарного газа, равной 50 ppm, при этом на нем лучше представлены рабочие характеристики схемы.

Рисунок 5. Переходный процесс при скачкообразном изменении концентрации угарного газа от 50 ppm до 0 ppm

Образцы

Образцы

Продукт

Описание

Доступный продукт
Модели для образца

ADR291 Low Noise Micropower Precision Voltage Reference (2.5 V)

ADR291ERZ

ADR291FRZ

ADR291GRUZ

ADR291GRZ

ADR291GT9Z

ADR291WFRZ-R7

ADA4505-2 10 µA, RRIO, Zero Input Crossover Distortion Dual Op Amp

ADA4505-2ACBZ-R7

ADA4505-2ARMZ

ADP2503 Повышающе-понижающий преобразователь постоянного напряжения, 2.5 МГц/600 мА

ADP2503ACPZ-3.3-R7

ADP2503ACPZ-4.2-R7

ADP2503ACPZ-4.5-R7

ADP2503ACPZ-5.0-R7

ADP2503ACPZ-R7

AD7798 Трехканальный, малопотребляющий 16-разрядный Σ-Δ АЦП с низким шумом и внутренним ИУ

AD7798BRUZ

Функционирование раздела Покупка возможно только в полной версии сайта
Оценочные платы Цена указана за одну единицу.
Назад
Проверить наличие
Через сайт Analog.com можно приобрести не более двух оценочных плат. Чтобы заказать более двух оценочных плат, пожалуйста, совершайте покупку через наших дистрибьюторов.
Цены указаны за одну штуку, в долларах США, на условиях ФОБ. Являются рекомендованными розничными ценами в США, приведены только для примерного расчета и могут меняться. Международные цены могут отличаться на величину местных пошлин, налогов, сборов и курсов валют.