如何看懂電路圖(三)

1、電路功能與優(yōu)勢(shì)圖1所示電路是使用電化學(xué)傳感器的單電源、低功耗、電池供電、便攜式氣體探測(cè)器。本示例中使用alphasense co-ax一氧化碳傳感器。對(duì)于檢測(cè)或測(cè)量多種有毒氣體濃度的儀器，電化學(xué)傳感器能夠提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)傳感器都是針對(duì)特定氣體而設(shè)計(jì)，可用分辨率小于氣體濃度的百萬(wàn)分之一(ppm)，所需工作電流極小，非常適合便攜式電池供電的儀器。圖1所示電路使用雙通道微功耗放大器ada4505-2，該器件在室溫下的最大輸入偏置電流為2 pa，每個(gè)放大器的功耗僅為10 a。此外，adr291精密、低噪聲、微功耗基準(zhǔn)電壓源的功耗僅為12 a，可建立2.5 v共模偽地基準(zhǔn)電壓。圖1. 低功耗氣體探測(cè)

2、器電路放大adp2503高效率、降壓/升壓調(diào)節(jié)器支持兩節(jié)aaa電池的單電源供電，在節(jié)能模式下的功耗僅為38 a。圖1所示電路（不包括ad7798adc）的總功耗在正常條件下（未探測(cè)到氣體）約為110 a，在最差條件下（探測(cè)到2000 ppm co）約為460 a。ad7798工作時(shí)的功耗約為180 a（g = 1，緩沖模式），節(jié)能模式下僅為1 a。由于電路功耗極低，兩節(jié)aaa電池便可提供合適的電源。當(dāng)連接到adc和微控制器或者內(nèi)置adc的微控制器時(shí)，電池壽命可從6個(gè)月以上到一年以上不等?；氐巾敳侩娐访枋鰣D2顯示電化學(xué)傳感器測(cè)量電路的原理示意圖。電化學(xué)傳感器的工作原理是允許氣體通過薄膜擴(kuò)散到傳感

3、器內(nèi)，并與工作電極(we)相互作用。傳感器參考電極(re)提供反饋，以便通過改變反電極(ce)上的電壓保持we引腳的恒定電位。we引腳上的電流方向取決于發(fā)生的反應(yīng)是氧化還是還原。在一氧化碳情況下發(fā)生的是氧化；因此，電流會(huì)流入工作電極，這要求反電極相對(duì)于工作電極處于負(fù)電壓（通常為300 mv至400 mv）。驅(qū)動(dòng)ce引腳的運(yùn)算放大器相對(duì)于 vref應(yīng)具有1 v的輸出電壓范圍，以便為不同類型的傳感器（alphasense應(yīng)用筆記aan-105-03，設(shè)計(jì)恒電位電路，alphasense公司）提供充足裕量。圖2. 簡(jiǎn)化電化學(xué)傳感器電路放大流入we引腳的電流對(duì)于每ppm氣體濃度低于100 na；因此將

4、此電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓需要具有極低輸入偏置電流的跨阻放大器。ada4505-2運(yùn)算放大器在室溫下具有最大輸入偏置電流為2 pa的cmos輸入，因此很適合這種應(yīng)用。2.5 v adr291為電路建立偽地基準(zhǔn)電壓，因此支持單電源供電同時(shí)消耗極低的靜態(tài)電流。放大器u2-a從ce引腳吸取足夠的電流，以便在傳感器的we和re引腳間保持0 v電位。re引腳連接到u2-a的反相輸入；因此其中無電流流動(dòng)。這意味著電流從we引腳流出，隨氣體濃度呈現(xiàn)線性變化?？缱璺糯笃鱱2-b將傳感器電流轉(zhuǎn)換為與氣體濃度成正比的電壓。此電路筆記選擇的傳感器是alphasense co-ax一氧化碳傳感器。表1顯示與此常見類型的一氧

5、化碳傳感器相關(guān)的典型規(guī)格。警告：一氧化碳是有毒氣體，一旦濃度高于250 ppm便有危險(xiǎn)；測(cè)試本電路時(shí)應(yīng)格外小心?？缱璺糯笃鞯妮敵鲭妷簽椋浩渲衖we是流入we引腳的電流， rf是跨阻反饋電阻（圖1中顯示為r8）。co-ax傳感器的最大響應(yīng)是100 na/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm的一氧化碳。因此，最大輸出電流為200 a，最大輸出電壓由跨阻電阻決定，如公式2所示。使用5 v電源為電路供電可在跨阻放大器u2-b的輸出端產(chǎn)生2.5 v的可用范圍。為跨阻反饋電阻選擇11.5 k電阻可提供4.8 v的最大輸出電壓，從而提供大約8%的超量程能力。傳感器使用65 na/ppm的典型響應(yīng)時(shí)，公式

6、3顯示與一氧化碳的ppm有函數(shù)關(guān)系的電路輸出電壓。電阻r4將噪聲增益保持在合理水平。選擇此電阻的值需權(quán)衡兩個(gè)因素決定：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時(shí)傳感器的建立時(shí)間誤差。對(duì)于本例，r4 = 33 ，由此可計(jì)算噪聲增益等于349，如公式4所示。跨阻放大器的輸入噪聲在輸出端表現(xiàn)為由噪聲增益放大。對(duì)于本電路，我們僅關(guān)注低頻噪聲，因?yàn)閭鞲衅鞴ぷ黝l率極低。ada4505-2的0.1 hz至10 hz輸入電壓噪聲為2.95 v p-p；因此，輸出端噪聲為1.03 mv p-p，如公式5所示。由于這是極低頻1/f噪聲，所以很難濾除。然而，傳感器響應(yīng)也極低；因此可以利用這一點(diǎn)，使用截止頻率為0.16 hz

7、的極低頻率低通濾波器（r5和c6）。即使是這樣的低頻濾波器，與30秒的傳感器響應(yīng)時(shí)間相比，它對(duì)傳感器響應(yīng)時(shí)間的影響也可忽略。電化學(xué)傳感器的一個(gè)重要特性是極長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)。首次上電時(shí)，輸出建立最終值可能需要幾分鐘。當(dāng)暴露于目標(biāo)氣體濃度的中量程階躍時(shí)，傳感器輸出達(dá)到最終值的90%所需的時(shí)間可在25秒至40秒之間。如果re與we引腳間的電壓產(chǎn)生劇烈幅度變化，傳感器輸出電流建立最終值可能需要幾分鐘。這也同樣適用于傳感器周期供電的情況。為避免啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，當(dāng)電源電壓降至jfet的柵極-源極閾值電壓（約2.5 v）以下時(shí)，p溝道jfet q1將re引腳與we引腳短接。兩節(jié)aaa電池或2.3 v至5.5 v電

8、源為此電路供電。q2提供反向電壓保護(hù)，adp2503將輸入電源調(diào)節(jié)至傳感器供電所需的5 v電壓?；氐巾敳砍Ｒ娮兓绻褂每删幊套冏杵鳎ㄈ鏰d5271），而不是固定跨阻電阻(r8)，本電路就可以用于不同的氣體傳感器，而無需改變材料清單。ad5271提供20 k、50 k或100 k的標(biāo)稱電阻值。由于有256個(gè)跳變位置，因此100 k選項(xiàng)的階躍為390.6 。ad5271的電阻溫度系數(shù)為5 ppm/c，優(yōu)于大多數(shù)分立電阻；其電源電流為1 a，對(duì)系統(tǒng)功耗的影響極小。雖然兩節(jié)aaa電池就能為圖1所示電路供電數(shù)月之久，一些應(yīng)用可能需要使用外部電源運(yùn)行。實(shí)施雙電源配置的最有效方式是使用內(nèi)置開關(guān)且具有機(jī)械斷

9、開特性的電源插座，在將外部電源插頭插入插座時(shí)可自動(dòng)移除電池電源。本文所述電路具有極低的功耗。使用兩個(gè)ada4528-1運(yùn)算放大器代替ada4505-2可大幅降低噪聲，提高精度，但功耗也會(huì)增加。ada4528-1具有實(shí)際為零的失調(diào)漂移和業(yè)界領(lǐng)先的低輸入電壓噪聲。同樣，adr3425可取代adr291，從而獲得極低溫漂；但代價(jià)是功耗增加。最后，圖1所示電路適用于與12位adc接口，例如大多數(shù)混合信號(hào)微控制器中的內(nèi)置轉(zhuǎn)換器。對(duì)于必須測(cè)量氣體濃度ppm比例的應(yīng)用，使用ada4528-1和adr3425使得電路性能適合與16位adc接口，例如ad7798或ad7171?；氐巾敳侩娐吩u(píng)估與測(cè)試本電路使用e

10、val-cn0234-sdpz電路評(píng)估板和eval-sdp-cb1z系統(tǒng)演示平臺(tái)(sdp)評(píng)估板。此外，連接兩個(gè)電路板需要eval-cn0234-sdpz附帶的小適配板。eval-cn0234-sdpz包括ad7798 16位-型adc，用于對(duì)電路的輸出電壓進(jìn)行數(shù)字化處理。cn-0234評(píng)估軟件與sdp板通信，以從eval-cn0234-sdpz電路評(píng)估板捕捉數(shù)據(jù)。設(shè)備要求需要以下設(shè)備： 帶usb端口的windows xp、windows vista（32位）或windows 7（32位）pc eval-cn0234-sdpz電路評(píng)估板和適配板 eval-sdp-cb1z sdp評(píng)估板 cn0

11、234評(píng)估軟件 兩節(jié)aaa電池 校準(zhǔn)氣體（建議使用低于250 ppm的co）開始使用將cn0234評(píng)估軟件光盤放入pc的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開“my computer（我的電腦）”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開readme文件。按照readme文件中的說明安裝和使用評(píng)估軟件。功能框圖圖3顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖。eval-cn0234-sdpz-sch pdf文件提供了完整電路原理圖。此文件位于cn0234 設(shè)計(jì)支持包中。圖3. 測(cè)試設(shè)置功能框圖放大設(shè)置將eval-cn0234-sdpz上的10引腳連接器連接到適配板，將適配板的120引腳連接器連接到eval-sdp-cb1z sd

12、p評(píng)估板上的con a連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔將適配板牢牢固定至sdp板。將電化學(xué)傳感器連接到eval-cn0234-sdpz電路評(píng)估板上的插口。將電源開關(guān)滑動(dòng)到關(guān)閉位置，將兩節(jié)aaa電池插入電池座。將sdp板附帶的usb電纜連接到pc上的usb端口和sdp板。sdp板從pc的usb端口取電。測(cè)試將eval-cn0234-sdpz電路板上的電源開關(guān)移動(dòng)到打開位置，啟動(dòng)評(píng)估軟件。如果“device manager（設(shè)備管理器）”中出現(xiàn)“analog devices system development platform（adi系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)）”驅(qū)動(dòng)器，軟件便能與sdp

13、板通信。一旦usb通信建立，就可以使用sdp板來發(fā)送、接收、采集來自eval-cn0234-sdpz電路評(píng)估板的串行數(shù)據(jù)。cn0234評(píng)估軟件readme文件包含有關(guān)如何使用評(píng)估軟件采集數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。sdp用戶指南包含有關(guān)sdp板的信息。該電路板的輸入信號(hào)是氣體濃度；因此需要校準(zhǔn)氣體源。使用一氧化碳進(jìn)行測(cè)試時(shí)，最大短時(shí)間接觸限值為250 ppm。要執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，首先請(qǐng)確認(rèn)不存在一氧化碳。要開始采集數(shù)據(jù)，請(qǐng)單擊“start acquisition（開始采集）”。從“calibrate（校準(zhǔn)）”菜單選擇set zero（設(shè)置0）”。如果滿意adc讀數(shù)，請(qǐng)單擊“ok（確定）”，當(dāng)前adc讀數(shù)會(huì)被存

14、儲(chǔ)為0點(diǎn)。應(yīng)用校準(zhǔn)氣體，當(dāng)傳感器輸出完全建立后，從“calibrate（校準(zhǔn)）”菜單中選擇“set span（設(shè)置范圍）”。輸入所用校準(zhǔn)氣體的濃度，單擊“ok（確定）”。如此會(huì)存儲(chǔ)系統(tǒng)范圍。要應(yīng)用系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，請(qǐng)選中前面板上的“display calibrated data（顯示校準(zhǔn)數(shù)據(jù)）”復(fù)選框。如果未選中“display calibrated data（顯示校準(zhǔn)數(shù)據(jù)）”復(fù)選框，程序采用默認(rèn)比例值運(yùn)行，即假定標(biāo)稱傳感器響應(yīng)為65 na/ppm，無失調(diào)誤差。要將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存到文件，請(qǐng)從“file（文件）”菜單中選擇“save calibration constants to file（將校準(zhǔn)常數(shù)保存到文