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1、电路笔记 CN-0338Circuits from the Lab reference designs are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve todays analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit 连接/参考器件 AD8629 零漂移、单电源、轨到轨 输入/输出运算放大器ADA4528-1 精密、超低噪声、轨到轨输入输出 (RRIO)、零
2、漂移运算放大器ADP7105 20 V、500 MA低噪声LDO稳压器， 具有软启动功能ADuCM360 集成双通道-型ADC和ARM Cortex-M3 的低功耗精密模拟微控制器NDIR基于热电堆的气体检测电路 Rev. 0 Circuits from the Lab reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and
3、construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verifed in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event
4、 shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329
5、.4700 Fax: 781.461.3113 2016 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 评估和设计支持电路评估板 CN-0338 电路评估板 (EVAL-CN0338-ARDZ 屏蔽) Arduino兼容型平台板 (EVAL-ADICUP360) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单、源代码 电路功能与优势图1中的电路是一个完整基于热电堆的气体传感器，利用了非分散红外(NDIR)原理。该电路针对CO2检测优化，而采用不同滤光器的热电堆之后亦可精确测量多种气体的浓度。该 电 路 板 (PCB)采 用 Arduino屏 蔽 尺 寸 设
6、计 ， 并 与EVAL-ADICUP360 Arduino兼容型平台板对接。信号调理由AD8629和低噪声放大器ADA4528-1，以及集成可编程增益放大器、双通道24位-型模数转换器(ADC)和ARM Cortex-M3处理器的精密模拟微控制器ADuCM360实现。CN-0338 Rev. 0 | Page 2 of 12 图1. NDIR气体检测电路(简化原理图： 未显示所有连接和去耦) 电路描述 热电堆传感器由通常串联(或偶尔并联)的大量热电偶组成。串联热电偶的输出电压取决于热电偶结与基准结之间的温度差。该原理称为塞贝克效应。本电路使用AD8629运算放大器放大热电堆传感器输出信号。热电
7、堆输出电压相对较小(从几百微伏到几毫伏)，需要高增益和极低的失调与漂移，以避免直流误差。热电堆的高阻抗(典型值为84 k)要求低输入偏置电流以便最大程度减少误差，而AD8629的偏置电流仅为30 pA(典型值)。 该器件随时间和温度变化的漂移极低，只要校准温度测量便可消除额外误差。与ADC采样速率同步的脉冲光源最大程度减少低频漂移和闪烁噪声引起的误差。AD8629在1 kHz下的电压噪声频谱密度仅为22 nV/Hz，低于37 nV/Hz的热电堆电压噪声密度。此外，AD8629在10 Hz下的电流噪声频谱密度极低，典型值仅为5 fA/Hz。该电流噪声流过84 k热电堆，10 Hz时的噪声贡献仅为
8、420 pV/Hz。低噪声放大器ADA4528-1缓冲的共模电压为200 mV，因此NTC和热电堆信号输出满足ADuCM360缓冲模式输入的要求。ADuCM360 ADC缓冲模式输入为AGND + 0.1 V至大约AVDD 0.1 V。CN-0338 Arduino屏蔽板只需采用单输入ADC即可兼容其它类型的Arduino兼容型平台板。ADP7105低压差调节器生成稳定的5 V输出电压以驱动灯，并由ADuCM360开关。该电路的斩波频率范围为0.1 Hz至5 Hz，可通过软件选择。ADP7105具有软启动功能，冷启动灯时没有浪涌电流。ADuCM360集成双通道、24位、-型ADC，在3.5 H
9、z至3.906 kHz的可编程速率范围内可同步采样双单元热电堆。NDIR系统的数据速率范围限制在3.5 Hz至483 Hz之间，以便具有最佳的噪声性能。工作原理为了理解热电堆，有必要回顾热电偶的基本理论。如果在绝对零度以上的任意温度下连接两种不同的金属，则两种金属之间会产生电位差(热电EMF或接触电位)，此电位差是结温的函数(参见图2中的热电EMF电路)。该效应称为塞贝克效应，以其发现者Tomas Johann Seebeck命名。CN-0338 Rev. 0 | Page 3 of 12 图2. 热电偶原理 图3. 多个热电偶组成热电堆 T1METAL AMETAL BTHERMOELECT
10、RIC EMFRMETAL AMETAL AR = TOTAL CIRCUIT RESISTANCE I = (V1 V2) RV1T1V2T2V1 V2METAL BMETAL AMETAL AV1V1T1T1T2T2V2V2METAL AMETAL ACOPPERCOPPERMETAL BMETAL BT3T4V = V1 V2, IF T3 = T4THERMOELECTRIC EMFTHERMOCOUPLE CONNECTED TO LOADTHERMOCOUPLE VOLTAGE MEASUREMENTPRACTICAL THERMOCOUPLE VOLTAGE MEASUREMEN
11、T SHOWING COLD JUNCTIONI V1V12665-002ACTIVE JUNCTIONS (HEATED BY RADIATION)REFERENCE JUNCTIONS AT REFERENCE TEMPERATURERADIATIONTHERMOCOUPLESV12665-003如果两根导线在两处相连，则形成两个结点(参见图2中连接负载的热电偶)。如果两个结点的温度不同，则电路中产生净EMF，并有电流流过，电流由EMF和电路总电阻决定(参见图2)。如果其中一根导线断开，则断点处电压等于电路的净热电EMF；并且如果该电压可以测得，便可利用其计算两个结点之间的温度差(参见图2
12、中的热电偶电压测量)。记住，热电偶测量两个结点之间的温度差，而非一个结点处的绝对温度。只有当另一个结点(通常称为基准结点或冷结)已知的情况下，测量结点处的温度才可测得。但是，要测量热电偶产生的电压却很困难。假设电压表连接第一个热电偶测量电路(参见图2中显示冷结的实际热电偶电压测量)。连接电压表的导线在连接处形成了更多的热电偶。如果这些额外的结点温度相同(无论温度是多少)，则中间金属法则表明它们对系统的总EMF没有净贡献。如果它们的温度不同，则产生误差。由于每一对不同的接触金属都会产生热电EMF包括铜片/焊点、柯伐/铜片(柯伐是一种用于IC引线框架的合金)和铝/柯伐(IC内的焊接)在实际电路中，
13、问题更为复杂，有必要极其谨慎地确保热电偶周边电路的所有结点对(除测量结点和基准结点本身)的温度相同。热电堆由大量热电偶串联而成，如图3所示。与单个热电偶相比，热电堆产生的热电电压要高得多。在NDIR应用中，脉冲和滤波红外光施加于串联有源结点；因此，结点加热，产生较小的热电电压。基准结点的温度由热敏电阻测量。针对正电荷和负电荷，很多气体都有永久或非永久分隔的中心。在红外频谱，气体可吸收特定频率，这种特性可以用来进行气体分析。当红外辐射射入气体中，并且当红外波长匹配分子的自然频率或谐振频率时，原子能态根据分子的离散步长变化而振动。对于大部分红外气体检测应用而言，目标气体的身份是已知的，因此不需要气
14、相色谱。然而，如果不同气体的吸收线重叠，那么应用就必须处理这些气体之间一定程度上的交叉灵敏度。二氧化碳在4200 nm和4320 nm之间的吸收极强，如图4所示。CN-0338图4. 二氧化碳(CO2)的吸收频谱红外光源的可用输出范围和水的吸收频谱同样决定了检测波长的选择。在3000 nm以下，以及4500 nm和8000 nm之间，水具有较强的吸收。如果目标气体中有湿气(湿度高)，则在这些范围内，检测气体频谱线的一切尝试都会受到较强的干扰影响。图5显示了二氧化碳吸收频谱与水的吸收频谱重叠。(所有吸收数据均来自HITRAN数据库。) 如果将红外光施加在双热电堆检测器上，并安装一对滤光器，使其中
15、一个滤光器聚焦在4260 nm，而另一个聚焦在3910 nm，则通过两个热电堆的电压之比即可测得二氧化碳浓度。吸收通道中的滤光器用作检测通道，吸收频谱外的滤光器用作基准通道。 使用基准通道后，可消除灰尘或辐射强度递减引起的测量误差。在3910 nm下方没有吸收线，注意这一点很重要；这使得该区域成为基准通道的理想地点。NDIR检测中使用的热电堆具有相对较高的内部电阻，而50 Hz/60 Hz电源线噪声会耦合进入信号路径。热电堆的源阻抗可能为100 k左右，导致热噪声成为系统内的主要噪声。例如，图1系统中选用的热电堆检测器电压噪声密度为37 nV/Hz。使来自检测器的信号量最大化，并在电路中使用较
16、低增益，便有可能确保气体测量系统具有最佳性能。使来自热电堆检测器的信号最大化的最佳方法是使用具有高反射属性的采样腔，这样做可以确保检测器吸收信号源的辐射，而不吸收腔室本身的辐射。使用反射腔室来减少腔室吸收辐射量还可降低系统功耗，因为这样可以使用较小的辐射源。NDIR气体吸收的比尔-朗伯定律有源检测器的红外密度以指数关系递减，此关系称为比尔-朗伯定律：其中：I表示目标气体的密度。I0表示零气体的密度。k表示特定气体和滤光器组合的吸收系数。l表示灯与检测器之间的等效光学路径长度。x表示气体浓度。对于有源检测器输出，存在相应的输出电压变化V0 V：其中：FA表示小数吸收。V0表示零气体的输出。V表示目标气体的输出。整理公式，并结合前面两个公式，可得：如果k和l保持不变，FA可相对于x轴进行描绘，如图6所示(其中，kl = 115、50、25、10和4.5)。FA值随c增加，但最终在高气体浓度下饱和。图
