今天這個(gè)東西呢，也是ADI的U的二次封裝的產(chǎn)品，但是做了一些有趣的設(shè)計(jì)，所以來(lái)分析，以及我也要設(shè)計(jì)類(lèi)似的東西。

Emstat pico ADuCM355電化學(xué)模組詳細(xì)解讀這篇是去年的分析文章。

為了使電化學(xué)傳感器工作，需要搭建的電路系統(tǒng)被稱(chēng)為恒電位電路。以三端式電化學(xué)氣體傳感器為例，如圖所示。需要搭建的電路包括偏置電壓源、電位保持、電流轉(zhuǎn)電壓、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，再送入MCU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

ADC電路之前的信號(hào)為TIA電路轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)，與氣體的濃度值成比例變化，根據(jù)傳感器的氧化或還原反應(yīng)，TIA電路轉(zhuǎn)換的電壓可能正向變化，也可能反向變化。

整體電路的元器件包含了精密運(yùn)放、精密電阻、高性能ADC等，每個(gè)部位的電路設(shè)計(jì)都有其理論支撐，對(duì)工程師的模擬信號(hào)電路知識(shí)儲(chǔ)備要求高。

最基本和常用的測(cè)量原理是基于恒電勢(shì)器。如圖所示，恒電勢(shì)器測(cè)量和控制工作電極（WE）和參考電極（RE）之間的電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)計(jì)數(shù)器或輔助電極的電流，工作電極的電勢(shì)相對(duì)于參考電極保持恒定。

最簡(jiǎn)單的電流測(cè)量方法是對(duì)傳感器施加偏置電壓并測(cè)量響應(yīng)電流。其中，在RE和WE之間施加一個(gè)恒定電壓，然后使用電流-電壓轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將電流剖面轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

大多數(shù)用于所述測(cè)量的傳感器可以通過(guò)ADuCM355輸入直接操作。例如，用于恒電勢(shì)器測(cè)量，如血糖測(cè)量。

與此相對(duì)，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測(cè)量（例如電導(dǎo)率和pH值）需要用到擴(kuò)展信號(hào)鏈，所以也需要采用外部芯片，例如LTC6078。

這個(gè)也是后面模塊的一個(gè)選型，以及溫度傳感器也是后面選型的一個(gè)關(guān)鍵。

這個(gè)運(yùn)放它增加了輸入阻抗，以適應(yīng)傳感器的高輸出阻抗，從而獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。

除了前面描述的測(cè)量以外，還需要測(cè)量溫度，以補(bǔ)償傳感器的波動(dòng)。擴(kuò)展測(cè)量原理如上圖所示。

借助較大的信號(hào)鏈，ADuCM355可以讀取電壓和電流值。在所示的電路中，可以檢測(cè)到范圍小于100?至10M?的阻抗。較大的測(cè)量范圍可以覆蓋醫(yī)療領(lǐng)域所需的整個(gè)阻抗圖譜。

而且是話說(shuō)回來(lái)，集成器件也做不?。?/p>

展示一個(gè)我手工焊接的測(cè)量器件

這個(gè)是集成器件設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)板

接下來(lái)看他們做的這個(gè)模塊:

模塊為2*2cm尺寸的郵票孔模塊形式、通過(guò)串口交互數(shù)據(jù)，易于集成和使用。

模塊采用3.3V供電，常規(guī)工作電流為5mA，在低功耗或休眠情況下消耗電流僅為幾u(yù)A

對(duì)于電化學(xué)又時(shí)候要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，這個(gè)低功耗是確實(shí)有用的。

郵票孔設(shè)計(jì)是宜于表面貼裝

對(duì)于接口，就控制串口和燒錄SWD

這個(gè)上面也有更詳細(xì)的介紹，而且看這個(gè)表面，外圍的原件很少

這里看，功能接口，阻抗測(cè)量+PH+電導(dǎo)率+模擬電壓+EIS

因?yàn)檫@個(gè)功能有助于后面分析集成的芯片的作用。

MCUM355的板上包含1只ADUCM355芯片、1只LTC6078高阻運(yùn)放、1只SHT31型號(hào)的溫濕度傳感器、以及一些必要的外圍被動(dòng)器件。

這個(gè)圖是我們分析的重點(diǎn)，而且上面都寫(xiě)了一些重要的符號(hào)，讓我這個(gè)練習(xí)快一年的工程師分析一下。

這么多的接口怎么看？數(shù)據(jù)手冊(cè)是我們最終的歸宿~

AIN5，6+Vzero6

然后看這個(gè)，沒(méi)有看到AIN5，是0，不是1

在這里

這次看懂了，就是拓展了ADC的信號(hào)鏈

這里第一組測(cè)量

第二組

引出了三個(gè)ADC，AIN2是單獨(dú)輸出的

校準(zhǔn)

在這里

好，加了個(gè)小傳感器

SHT31是一款精密溫濕度傳感器，在氣體探測(cè)場(chǎng)景中，溫濕度可以作為環(huán)境指標(biāo)擴(kuò)充和結(jié)果校正依據(jù)。

也就是說(shuō)，這個(gè)是精密的參考電阻

此外，板上還設(shè)置了若干精密電阻，用于ADUCM355的內(nèi)部模擬電路校正，以及作為水質(zhì)測(cè)量過(guò)程的參照電阻。

這個(gè)是常規(guī)的接口

也就是這里

還有一種常用的氣體傳感器為PID或MOS原理，它輸出的是單端電壓信號(hào)，此時(shí)只需將該傳感器輸出引腳接入MCUM355模塊的AIN端。

套件采用了2只電化學(xué)氣體傳感器和1只PID傳感器，測(cè)量氧氣、CO、TVOC三種氣體濃度指標(biāo)，是單個(gè)MCUM355模塊能夠支持的最多氣體傳感器數(shù)量。

接下來(lái)的內(nèi)容是重要的，也是需要甄別的內(nèi)容：

搭建水質(zhì)檢測(cè)應(yīng)用時(shí)，主要是基于單模塊實(shí)現(xiàn)水溫、pH值、ORP值、電導(dǎo)率4種參數(shù)的測(cè)量。

傳感器連接方案如圖所示，水溫傳感器連接電化學(xué)1通道，水溫傳感器的原理是熱電阻，這種方式利用的是其恒電位電路間接測(cè)量電阻值的原理。

pH電極連接的是模塊上專(zhuān)用的通道，主要是由于其高阻輸出的特性，同時(shí)pH電極也能夠反映被測(cè)液體的ORP值。（氧化還原反應(yīng)電位）

電導(dǎo)率探頭通常與電導(dǎo)率儀一起使用，是一種用于測(cè)量溶液電導(dǎo)率的設(shè)備。溶液的電導(dǎo)率表明其導(dǎo)電能力，并且與溶液中離子濃度直接相關(guān)。

對(duì)于電導(dǎo)率電極，其陽(yáng)極端連接模塊的電化學(xué)0通道，陰極端可連接電化學(xué)0通道或?qū)Ｓ酶咦柰ǖ溃@取決于被測(cè)液體的阻抗范圍：

如果是低阻液體（導(dǎo)電性強(qiáng)），則可連接電化學(xué)0通道的WE0引腳

如果是高阻液體（導(dǎo)電性弱），則需要如圖所示連接高阻接口。

這就是高阻接口

低阻液體（導(dǎo)電性強(qiáng)）：

陽(yáng)極端：連接到模塊的電化學(xué)0通道。

陰極端：連接到電化學(xué)0通道的WE0引腳（工作電極）。

這種情況下，由于液體的導(dǎo)電性強(qiáng)，電流容易通過(guò)，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的電化學(xué)通道來(lái)進(jìn)行測(cè)量。低阻液體通常意味著較高的離子濃度，例如鹽水或酸堿溶液等。

高阻液體（導(dǎo)電性弱）：

陽(yáng)極端：仍然連接到模塊的電化學(xué)0通道。

陰極端：連接到專(zhuān)用的高阻通道。

在高阻液體中，由于離子濃度低，導(dǎo)電性較弱，電流更難通過(guò)，這可能導(dǎo)致測(cè)量不穩(wěn)定或準(zhǔn)確度下降。

因此，采用專(zhuān)用的高阻通道可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。高阻通道通常具有更高的輸入阻抗和專(zhuān)門(mén)的電路設(shè)計(jì)，以優(yōu)化對(duì)低電流的測(cè)量。也就是我接下來(lái)要說(shuō)的。

也就是小電流的測(cè)量，高阻而且微弱電流，然后呢？是不是需要TIA呀！

我化學(xué)學(xué)的最不好了，現(xiàn)在出來(lái)當(dāng)人了。。。

其中陽(yáng)極通常指電流流入電池或電解池的端點(diǎn)，而陰極則是電流流出的端點(diǎn)。

陽(yáng)極（Anode）：

作用：在直流電場(chǎng)中，陽(yáng)極是電流進(jìn)入電解液的地方。在電導(dǎo)率測(cè)量中，陽(yáng)極通常是連接到電流源的電極，負(fù)責(zé)向液體中輸入電流。

電化學(xué)反應(yīng)：在電解過(guò)程中，陽(yáng)極通常發(fā)生氧化反應(yīng)，即電子的釋放。

陰極（Cathode）：

作用：陰極是電流從電解液流出的地方。在電導(dǎo)率測(cè)量中，它通常接收從陽(yáng)極通過(guò)液體傳輸過(guò)來(lái)的電流。

電化學(xué)反應(yīng)：在電解過(guò)程中，陰極通常發(fā)生還原反應(yīng)，即電子的獲取。

在電導(dǎo)率探頭中，這兩個(gè)電極共同工作來(lái)完成電導(dǎo)率測(cè)量。通過(guò)電極施加一個(gè)小的交流電（以避免極化），電流會(huì)通過(guò)液體從陽(yáng)極流向陰極。電導(dǎo)率探頭測(cè)量這個(gè)電流的強(qiáng)度或相應(yīng)的電壓變化，以確定溶液的電導(dǎo)率。

OK，這里要說(shuō)的是電路的精華部分，如果說(shuō)錯(cuò)了，請(qǐng)馬上來(lái)和我確認(rèn)。

LTC6078 是ADI公司的一款高阻雙路運(yùn)放，其中一路作為pH電極的接口電路，電壓信號(hào)直接送入ADUCM355內(nèi)的ADC功能通道，另一路則作為電導(dǎo)率電極的接口電路，將微弱電流轉(zhuǎn)換為電壓，再送入ADC通道。

后面這個(gè)不就是TIA嗎？

pH電極接口電路：

這個(gè)通道的運(yùn)放通常配置為緩沖放大器，因?yàn)閜H電極的輸出電壓變化范圍相對(duì)較小，但輸出阻抗很高。

LTC6078因其高輸入阻抗和低偏移特性，非常適合這種應(yīng)用，它可以準(zhǔn)確地讀取微弱的pH電極電壓信號(hào)，并將其穩(wěn)定地送到ADUCM355的ADC功能通道進(jìn)行數(shù)字化。

電導(dǎo)率電極接口電路：

電導(dǎo)率測(cè)量通常涉及到測(cè)量通過(guò)溶液的微弱電流，因此需要將這微弱的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以便測(cè)量。

在這個(gè)通道中，LTC6078可能被配置為跨導(dǎo)放大器（Transimpedance Amplifier，TIA），用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。TIA配置利用運(yùn)放的高輸入阻抗和低噪聲特性，能夠提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電流到電壓轉(zhuǎn)換，適合于測(cè)量微弱的電導(dǎo)率電流。

模擬輸入輸出

16位400k SPS ADC

電壓、電流和阻抗測(cè)量能力

內(nèi)部/外部電流和電壓通道

超低漏電開(kāi)關(guān)矩陣及輸入多路復(fù)用器

輸入緩沖器、可編程增益放大器

電壓DAC

2個(gè)雙輸出電壓DAC

輸出范圍：對(duì)于 12 位輸出，0.2 V 至 2.4 V （±2.2 V 傳感器電位差）

2個(gè)偏置恒電勢(shì)器及TIA放大器
超低耗電: 每DAC 1μA

高速12位VDAC: 1個(gè)

傳感器輸出范圍：±607 mV

用于阻抗測(cè)量的快速TIA

輸出用可編程增益放大器

放大器、加速器和參考

低耗電、低噪音放大器 2個(gè)

適用于電化學(xué)傳感中的恒電勢(shì)器偏壓

低耗電、低噪音TIA 2個(gè)

適用于測(cè)量傳感器電流輸出
±0.00005 μA ~ ±3000 μA

可編程負(fù)載和增益電阻

模擬硬件加速器

DDS波形發(fā)生器

DFT和數(shù)字濾波器

2.5 V和1.82V片上高精度參考電壓
±2°C的精確內(nèi)部溫度傳感器
<1Ω10MΩ、0.016Hz至200kHz的阻抗測(cè)量范圍
伏安法掃描速率可達(dá)每秒 2000 步

微控制器

26 MHz ARM Cortex-M3處理器

支持通過(guò)串行線端口下載和調(diào)試代碼

128 kB 閃存/64kB的SRAM

安全性和安全

AES-128和AES-256的硬件加密

可編程多項(xiàng)式發(fā)生器的硬件CRC

用戶閃存的讀寫(xiě)保護(hù)

片上外圍設(shè)備

UART、I2C和SPI串行輸入/輸出

最多17個(gè)GPIO引腳

外部關(guān)閉選項(xiàng)

通用、啟動(dòng)和監(jiān)視定時(shí)器

電源

2.8 V 至 3.6 V 電源和主動(dòng)測(cè)量范圍

電源監(jiān)視器

工作功耗：數(shù)字部分為 30μA/MHz

外部傳感器休眠偏置：8.5 μA

封裝和溫度范圍

6 mm × 5 mm、72pin LGA封裝

額定工作溫度范圍：?40°C 至+85°C

LGA的封裝是手焊不了的

最大偏移電壓：25μV（25℃）

最大偏移漂移：0.7μV/℃

最大輸入偏置電流：

1pA（25℃）

50pA（85℃ 以下）

微功率:54μA/放大器

CMRR：95dB（最?。?/p>

PSRR：100dB（最小)

輸入噪音電壓：16nV/√Hz

軌對(duì)軌輸入輸出

2.7V～5.5V的工作電壓

8引腳MSOP和10引腳DFN封裝

氣體檢測(cè)

水質(zhì)檢測(cè)

本來(lái)文章到這里就結(jié)束了，但是我發(fā)現(xiàn)真正有趣的事情才開(kāi)始。

首先這個(gè)驍龍科技也不是自己設(shè)計(jì)的，就是改了一下ADI的設(shè)計(jì)demo，哼。

參考的是這個(gè)設(shè)計(jì)

同時(shí)AD5940，AD5941，這兩個(gè)是去掉MCU的FAE處理器。

甚至這兩個(gè)我都沒(méi)有看出來(lái)有什么區(qū)別

事實(shí)上還有很多的測(cè)量設(shè)計(jì)

例如上面這個(gè)：是一款完全隔離的低功耗pH傳感器信號(hào)調(diào)理器和數(shù)字化儀，具有自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能，可實(shí)現(xiàn)高精度。該電路可為 0 至 14 的 pH 值提供 0.5% 的準(zhǔn)確讀數(shù)，無(wú)噪聲代碼分辨率大于 14 位，適用于各種工業(yè)應(yīng)用，如化學(xué)、食品加工、水和廢水分析。該電路支持各種pH傳感器，這些傳感器具有非常高的內(nèi)阻，范圍為1 MΩ至數(shù)GΩ，數(shù)字信號(hào)和電源隔離可對(duì)惡劣工業(yè)環(huán)境中經(jīng)常遇到的噪聲和瞬態(tài)電壓進(jìn)行抗擾度。

以上這些應(yīng)用，都是可以直接在ADI的這個(gè)板子上面來(lái)測(cè)試的

這個(gè)基于ARM -M3的MCU，主打是低功耗

這個(gè)就是我上面說(shuō)的AD5941

參考設(shè)計(jì)在此

再把視角調(diào)整回去

我標(biāo)的地方，是不是不知道為什么設(shè)置的這幾個(gè)電阻。

額，原來(lái)是參考設(shè)計(jì)的電阻

我真的哭死，AIN5，AIN6，Vzero0，它就是都不帶換的

pH的測(cè)量圖，就是做緩沖作用的

為高阻抗傳感器提供精密緩沖。其精密性能和低偏置電流（輸入偏置電流最大值為1 pA）是此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，其中pH探針的阻抗可能有數(shù)千兆歐(GΩ)

電導(dǎo)率這里是，TIA測(cè)量，直接上了10M的電阻還加了補(bǔ)償電容

前面的測(cè)量端，可以到電極系統(tǒng)，也可以到ADC系統(tǒng)。

看最大的電流是多少

設(shè)計(jì)原理圖

這個(gè)是AD5940的高阻測(cè)量，可以對(duì)比的看

校準(zhǔn)電阻

生病了，不想工作了。。。PCB在最近會(huì)制作，如果有需要的請(qǐng)來(lái)洽談。電化學(xué)這塊還是很多應(yīng)用的。

審核編輯：黃飛