完全隔离式电导率测量数据采集系统（2） 数据采集, 电导率, 测量, 隔离, 开关

苹果也疯狂

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RCAL（100Ω、1 kΩ和10 kΩ）、两个反馈电阻RFB（100Ω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，RFB = 1 kΩ，RCAL =1 kΩ和10 kΩ

低范围：μS至mS，RFB = 1 kΩ，RCAL =1 kΩ和10 kΩ

使用这两个范围，整体测量范围为25μS t至200 mS，精度高于1% FSR，如测试数据所示。可以选择RCAL和RFB的其他值以覆盖不同的范围。

CN-0349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RCAL（R3 = 100Ω、R4 = 1 kΩ和R7 = 10 kΩ）进行三点校准，最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）YL和YH，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YL（例如，YL = 1/R7 = 1/10 000Ω= 0.1 mS）。当参考信号YL连接时，将获取与参考信号YL相对应的代码NL（幅值ML）。同样，对于高范围校准点，参考是信号YH（例如，YH = 1/R4 = 1/1000Ω= 1 mS）。当参考信号YH连接时，将获取与参考信号YH相对应的代码NH（幅值MH）。


图3 电导率测量的两点校准

然后按照公式1计算增益系数（GF）


对于高范围，程序是相同的，但参考信号如下：YL = 1/R4 = 1/1000Ω= 1 mS，YH = 1/R3 = 1/100Ω= 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 = 100Ω，具有未知电导YX.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。

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YX）。表中使用的符号定义如下：

RX：参考电阻

YX：计算的参考电导率

YR：测量的电导率（读数）

RR：测量的电阻（读数）

RR：校正的电阻= RR– RR（对于RX = 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25μS到2500μS的低范围中，读数的误差百分比不超过0.5%.


图4 低范围内的相对误差

表1.从25μS至2.5 mS的低范围测量数据，RFB = 1 kΩ，RCAL1 = 1 kΩ，RCAL2 = 10 kΩ


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%.


图5 高范围内的相对误差

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

软件（CN-0349评估软件）可以进行此校正。校正之后，从0.2 mS到200 mS范围的误差百分比小于1%（参见图6）。


图6 高范围内的测量相对误差

表2.从0.2 mS至200 mS的高范围测量数据，RFB = 100Ω，RCAL1 = 100Ω，RCAL2 = 1 kΩ


表3.从0.2 mS至200 mS的高范围，电阻失调（0.1903Ω）已校正，RFB = 100Ω，RCAL1 = 100Ω，RCAL2 = 1 kΩ


表4.标准氯化钾（KCl）溶液的电导率测量结果，使用图1中显示的电路



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。

采用10μF和0.1μF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，0.1μF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。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VDD1和VISO，推荐的电容值是0.1μF和10μF，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。


设置和编程

EVAL-CN0349-PMDZ使用CN-0349评估软件来执行校准程序，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NOS）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，NOS1和NOS2）。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7 CN-0349软件校准窗口

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。


图8 CN-0349软件评估窗口

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%/°С时，则不执行温度补偿。

常见变化

AD8608是AD8605的四通道版本，在需要额外的精密运算放大器时，可以替代AD8606.

AD8601、AD8602和AD8604分别为单通道、双通道和四通道轨到轨、输入和输出、单电源放大器，具有超低失调电压和宽信号带宽等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608.

经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工作，并具有良好的精度。可以使用其他高精度运算放大器，取代双通道版本AD8606.可以使用两个单通道版本AD8605运算放大器，而不是使用AD8606，以便进行PCB布局。



图9 测试设置功能框图


功能框图

电路框图见图1，电路原理图见EVAL-CN0349-PMDZ-Altium DesignerSchematic.pdf文件。此pdf文件在CN-0349设计支持包中。测试设置的框图如图9所示。

设置

要正确进行设置，请执行以下步骤：

1.通过直流管式插孔将EVAL-CFTL-6V-PWRZ（6 V直流电源）连接到SDP-PMD-IB1Z转接板。

2.通过120引脚连接器A将SDP-PMD-IB1Z转接板连接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。

3.通过USB电缆将EVAL-SDP-CB1Z SDP板连接到PC.

4.通过CN-0349板附带提供的8引脚接头IMOD连接器电缆（4引脚MTE电缆，Digilent， Inc.），将EVAL-CN0349-PMDZ评估板连接到SDP-PMD-IB1Z转接板。


测试

启动CN-0349评估软件。如果设备管理器中列出了Analog Devices SDP驱动器，软件将能与SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板来发送、接收、获取来自EVAL-CN0349-PMDZ板的串行数据。