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新一代智能氣體檢測方案

作者:時間:2020-08-06來源:電子產品世界收藏

隨著電化學傳感器技術的發展,萬物互聯時代的到來,市場對于相關檢測產品小型化、數字智能化的需求也愈發顯著。作為單芯片解決方案,信號鏈集成內置診斷功能將使傳感器被更廣泛地使用,同時提高準確性,延長傳感器壽命,降低維護成本。

本文引用地址:http://www.303263.tw/article/202008/416783.htm

技術型分銷商Excelpoint世健公司的工程師Ethan Li推薦了ADI一款集成化學傳感器接口的精密模擬微控制器ADuCM355。他詳細闡述了ADuCM355氣體檢測方案與傳統方案相比的優勢,以及設計中的注意點和相關開發資源。

ADuCM355 SOC片上系統的架構與特性

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圖1 ADUCM355片內架構圖

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圖2 ADuCM355 AFE DIE≈AD5940/1

如圖1所示ADuCM355的結構架構圖,實際是=兩個DIE封裝的技術架構,DIE1≈模擬前端AD5940/1,DIE2=MCU=ADUCM3029。

如圖2,ADucM355 AFE的功能框圖架構與AD594X一樣。但ADuCM355模擬資源較AD594X會多一些。

√   ADuCM355 AFE模擬前端

●   LOW BANDWIDTH LOOP 低帶寬回路

   ◎   兩個雙通道輸出電壓DAC

   ◎   兩個低功耗、低噪聲放大器(AD594X=1個)

   ◎   兩個低功耗、低噪聲TIA(AD594X=1個)

   ◎   可編程負載和增益電阻

●   HIGH BANDWIDTH LOOP 高帶寬回路

   ◎   1個高速12位電壓DAC

   ◎   1個用于阻抗測量的高速TIA

   ◎   輸出上的可編程增益放大器

   ◎   阻抗測量范圍:<1 Ω至10 MΩ, 0.016 Hz至200,000 Hz

●   模擬輸入/輸出

   ◎   16 位、400 kSPS ADC 電壓

   ◎   內部和外部電流和電壓通道

   ◎   超低泄漏開關矩陣和輸入多路復用器

   ◎   輸入緩沖器,PGA

●   2.5 V 和 1.82 V 片內精密基準電壓源

●   模擬硬件加速器

   ◎   數字波形發生器

   ◎   DFT 和數字濾波器

●   內部溫度傳感器,±2°C精度

√   微處理器

●   26 MHz Arm Cortex-M3處理器

●   串行線端口支持代碼下載和調試

●   128 kB閃存/64 kB SRAM

●   UART、I2C和SPI串行輸入/輸出

●   最多17個GPIO引腳

●   通用、喚醒和看門狗定時器

ADuCM355氣體檢測SOC方案優勢

1. 高集成度-降低信號鏈設計復雜性

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圖3 典型傳統的電化學氣體檢測信號鏈

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圖4 ADuCM355電化學氣體檢測信號鏈

通過對ADuCM355內部架構的了解。以及圖3&4、傳統電化學氣體檢測方案與ADuCM355方案的對比,ADuCM355方案優勢:高度集成化、數字化。Ethan介紹,世健公司前期與山東某知名便攜式環保企業工程師推廣交流,高集成度是他們導入ADuCM355方案評估的最重要因素。

2. 超低功耗

如常見的三電極電化學傳感器,根據電化學傳感器工作原理,12位VDAC輸出通過圖5所示的恒電勢器電路設置參考電極引腳上的電壓。CE引腳和RE引腳上的電壓稱為VBIAS。6位輸出設置LPTIA_P節點上的偏置電壓;此輸出設置感應電極引腳SE上的電壓。該電壓稱為VZERO。傳感器上的VBIAS偏置電壓實際上是12位輸出和6位輸出之間的差值。低功耗模式下,在連接低帶寬回路傳感器非測量狀態BIAS模式下,這個系統電路可以做到8uA的超低功耗。傳感器工作測量時4.9mA。

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圖5 低帶寬回路保持EC參考極的偏置電壓

3. 高測量精度

電化學傳感器連接ADuCM355低帶寬回路,輸出非常小的電流經低功耗(LPTIA TIA支持200?至512k?的可編程增益電阻)轉換為可由ADC測量的電壓信號。16BIT高分辨率 SAR ADC,內部高精度20ppm 1.82Vref作為ADC基準源,加以可編程的數字濾波器,可做到如圖6高達15BIT有效位數的采集精度。

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圖6 ADC ENOB,基于RMS噪聲

4. 可診斷可預測型-電化學阻抗譜分析

隨著電化學應用的發展,執行診斷測量具有重要價值。電化學阻抗譜分析如圖7 ADuCM355高帶寬回路HPDAC輸出頻率可高達200Khz交流信號激勵傳感器,配合復數阻抗測量(DFT)引擎,可幫助客戶有效的診斷傳感器的健康狀態。

對于某些類型的傳感器,在阻抗測量期間必須保持傳感器上的直流偏置。交流信號的電平通過低功耗DAC 的VBIAS電壓輸出設置,SE上的電壓由VZERO電壓維持。還必須通過設置AFECON位21來使能高速DAC直流緩沖器。

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圖7 High Bandwidth Loop 高帶寬回路比例法測量EC阻抗

ADuCM355設計開發環境

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圖8 硬件連接、可支持電化學傳感器

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IAR 軟件開發調試環境,ADI可提供ADuCM355全套參考代碼。如圖10所示 355_ECSns_2E code,可直接燒錄評估,配合硬件參考手冊,根據實際需求,個性化開發。

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圖10 ADI ADuCM355參考代碼資源

Ethan還表示,ADI可提供豐富的參考設計代碼,縮短開發周期。ADuCM355方案在新一代電化學氣體檢測應用的產品中擁有強大的優勢、潛力,在世健公司的支持下,山東區域幾家環保企業已陸續導入評估ADuCM355、AD5941氣體檢測方案,已有成功應用案例,等待產品量產上市。



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