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“十面霾伏”,ADI专家解读气体监测技术趋势和解决方案

EEVIA?? 2013年01月30日 ?? 收藏0

对于图3中的电化学传感器,工作电极(WE)检测有毒气体,并根据气体浓度按比例产生电流,参考电极(RE)使工作电极的电压保持稳定,以便传感器工作于线性范围之内,辅助电极(CE)可以使WE节点上产生的电流达到平衡。恒电位电路保持RE节点电压,并提供CE节点产生的电流。I/V电路把电流信号转换为电压信号传送至ADC(无论是集成在MCU中还是分立式)。包括LCD和键阵列在内的人机接口用于系统设置和显示。LED、蜂鸣器和振动电机有助于提高警报的可靠性。

“气体监测技术的瓶颈在于气体传感器本身。因为气体传感器技术上的限制,就使得可以输入的信号比较微弱。很多放大器可能会有误差,这就可能会对偏置电流造成问题。如果本身器件的噪声误差已经大于传感器感测到的信号,那么测量的结果一定是不准的。”

Brian进一步指出:“如检测PM2.5时可能会用光的方式,即光电二极管也会产生非常小的电流,还有它本身的功耗。而我们一旦安置了气体监测仪器之后,通常希望能够长时间的稳定,且不需要经过校准就能够长时间使用,所以气体监测仪器的功耗和可靠度要很好。低功耗、高可靠性、降低噪声是气体监测器系统设计所面临的主要挑战。”

1、低功耗——由于有毒气体检测需要在尽可能无需维护的情况下持续地对环境进行监控。因而,尽量延长电池寿命对这种应用来说是非常重要的。由于电化学气体传感器只需极少电流即可工作,因此剩下的信号调理和数据传输电路在实现系统低功耗方面发挥着关键作用。

2、高可靠性——在某些工业环境中,人的生命依赖于有毒气体检测器,为此这些检测器需要高度可靠。高精度、抗干扰能力以及出色的长期稳定性,这些都是设计过程中需要考虑的重要因素。为了实现这一目标,就需要精确、强健、低漂移的信号链。

3、降低噪声——为了充分发挥电化学传感器的动态范围的优势,在设计信号链时需要考虑降噪问题。

高分辨率、低噪声、低功耗的ADI气体监测最新方案

针对以上客户在实际系统设计过程中所遇到的挑战,ADI提供了完整多样的信号链器件、最新的实验室电路原理图、物料清单和演示电路板,帮助客户能够以最快时间完成自己产品的设计并快速推向市场。相比较其他厂商的单片集成方案,ADI的分立方案带来了设计灵活的天然优势。在一些干扰较大的工作环境,其方案的灵活性还可以方便客户完成抗干扰的产品设计。

以一个ADI已经可以提供给客户的实验室电路CN0234——“使用电化学传感器的单电源、微功耗有毒气体探测器”为例:

1.低功耗——正常条件下,实验室电路中的ADI放大器、dc-to-dc转换器和基准电压源需要消耗大约100μA的电流。单电源工作模式可以避免双极电源的功耗浪费问题。

2.高可靠性——ADI致力于提供精确、低漂移的信号链产品,如放大器、基准电压源和ADC等,以帮助设计师构造出精确、稳定的系统。相应的产品列于下面的主产品表中。另外,运算放大器反馈回路上RC (R1、R2、C1、C2)滤波器、串联电阻Rs和反馈电容Cf将使系统保持稳定,以抵消气体传感器极大的电容(mF量级)带来的影响。

3.降低噪声——由于受传感器限制的慢速响应(约30秒),ADC之前的RC (R3、C3)滤波器的截止频率可以设为极低水平很低。不但可以降低系统的白噪声,而且也可降低1/f噪声,从而优化系统分辨率。关于ADC分辨率,ADI提供多种选择,例如分立式16位ADC和集成在MCU里的12位ADC。

CN0234实验室电路的放大器是采用双通道微功耗放大器ADA4505-2,具有轨对轨输入与输出摆幅,采用1.8 V~5 V单电源或±0.9 V~±2.5 V双电源供电。这款低成本放大器采用最新的电路技术,具有零输入交越失真,出众的PSRR与CMRR性能以及极低的偏置电流,工作时每个放大器的电源电流不到10μA。

该电路采用ADP2503 高效率、低静态电流开关电源升降压转换器,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。芯片内部的高开关频率让外部器件最小化,对小尺寸手持设备设计有很大帮助。因为外部有不同的电源,例如,锂电池、碱性电池、镍氢电池、PCMCIA和USB等标准输入电源,针对不同的电压,ADP2503/4都可以提供升降压功能。ADP2503的输入电压可以从2.3V到5.5V。ADP2503有固定输出版本和可调输出来两个选择,内部的补偿也减少了外部器件的数量。

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ADP7102? ADP2503? 电化学传感器? 气体监测技术?

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