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

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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.j9360.com/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

圖1 ADUCM355片內架構圖

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

圖3 典型傳統的電化學氣體檢測信號鏈

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。

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。