图1显示的电路提供了完整可靠的数据采集解决方案，用于测量被测物的电导，包括温度校正。此电路非常适合测量液体的离子含量，以及进行水质分析和化学分析。

该设计针对高精度和低成本优化，仅使用5个有源器件。校准后，该电路总误差小于1% FSR。所有器件均具有小尺寸，因此该电路非常适合注重印刷电路板(PCB)空间的应用。该电路的数字输出是完全隔离的；因此，该电路不存在接地环路干扰问题，非常适合在恶劣工业环境下使用。

图1.用于电导率测量的完全隔离式数据采集系统(简化原理图：未显示所有引脚、连接和去耦)

图1中显示的电路集成了 AD5934 12位阻抗转换器、 ADG715 八通道单刀单掷(SPST)开关、 AD8606 轨到轨运算放大器、 ADuM1250 双通道I ²C隔离器以及 ADuM5000隔离式DC-DC转换器，形成用于电导率测量的完整数据采集系统。该电路具有板载8引脚IMOD连接器，可用于连接客户微处理器或现场可编程门阵列(FPGA)。

AD5934是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案，片上集成一个可编程直接数字频率合成器(DDS)和一个12位、250 kSPS模数转换器(ADC)。可调频率发生器产生已知频率来激励外部复阻抗。片上DAC监控未知阻抗的电压和电流。 AD5933 是与1 MSPS ADC类似的器件。片上数字信号处理器(DSP)引擎计算离散傅里叶变换(DFT)。DFT算法在每个输出频率返回一个实部(R)数据字和一个虚部(I)数据字。

选择AD8606运算放大器的原因是该器件具有低失调电压(最大值65 μV)、低偏置电流(最大值1 pA)和低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。

ADG715 是一款互补金属氧化物半导体(CMOS)、8通道单刀单掷开关，通过双线串行接口控制，该接口可兼容I ²C接口标准。该器件的功耗较低，具有2.7 V至5.5 V的低工作电源范围和低导通电阻(通常为2.5 Ω)，采用小型24引脚TSSOP封装，因而成为诸多应用的理想之选。

ADuM5000是一款隔离式DC/DC转换器，具有3.3 V或5 V输出，基于ADI公司的isoPower®技术，采用16引脚SOIC封装。

ADuM1250是一款支持热插拔的数字隔离器，提供非闩锁双向通信通道，且与I ²C接口兼容，基于ADI公司的iCoupler芯片级变压器技术，采用8引脚SOIC封装。


电导率理论

材料或液体的电阻率ρ定义为：当立方体形状的材料反面完全导电接触时，该材料的电阻。其他形状材料的电阻可按以下方式计算：

R = ρL/A

其中：
L是接触距离。
A是接触面积。

电阻率的测量单位为Ω cm。当接触1 cm × 1 cm × 1 cm立方体的反面时，1 Ω cm材料的电阻为1 Ω。

电导是电阻的倒数，电导率是电阻率的倒数。

所有水溶液都在一定程度上导电。溶液导电能力的测量指标称为电导，它是电阻的倒数。电导的测量单位为西门子(缩写为“S”)。向纯水中添加电解质，例如盐、酸或碱，可以提高电导并降低电阻。电阻率表示为Ω cm，电导率表示为S/cm、mS/cm或μS/cm。

在此电路笔记中，我们使用Y作为电导率的通用符号，测量单位为S/cm、mS/cm或μS/cm。但在很多情况下，为了方便起见，我们会省略距离项，电导率仅表示为S、mS或μS。

电导率系统通过连接到沉浸在溶液中传感器的电子元件来测量电导。分析仪电路对传感器施加交流电压，并测量产生的电流大小，电流与电导率相关。由于电导率具有很大温度系数(最高达到4%/°C)，因此电路中集成了必需的温度传感器，用于将读数调整为标准温度，通常为25°C (77°F)。对溶液进行测量时，必须考虑水本身的电导率的温度系数。为了精确地补偿温度，必须使用第二个温度传感器和补偿网络。


电导率传感器

接触型传感器通常包括相互绝缘的两个电极。电极通常为316型不锈钢、钛钯合金或石墨，具有特定的大小和间距，以提供已知的电导池常数。从理论上说，1.0/cm的电导池常数表示两个电极，每个电极面积为1平方厘米，间距为1厘米。对于特定的工作范围，电导池常数必须与分析仪相匹配。例如，如果在电导率为1 μS/cm的纯水中使用电导池常数为1.0/cm的传感器，则电导池的电阻为1 MΩ。相反，相同电导池在海水中的电阻为30 Ω，由于电阻比过大，普通仪器很难在仅有一个电导池常数情况下精确测量此类极端情况。

对1 μS/cm溶液进行测量时，电导池配置了很大的电极，相距很小的间距。例如，对于电导池常数为0.01/cm的电导池，结果是电导池电阻大约为10,000 Ω，可以非常精确地测量。因此，对于超纯水和高电导率海水，使用具有不同电导池常数的电导池，测量仪表可在相同的电导池电阻范围内工作。


温度补偿

电导率测量系统精度只有经过温度补偿才能达到最佳。由于常见溶液温度系数在1%/°C至3%/°C或更高值之间变化，因此必须使用带有可调温度补偿的测量仪器。溶液温度系数在某种程度上是非线性的，通常还随着实际电导率变化。因此，在实际测量温度下进行校准可以达到最佳精度。

图1显示的电路可实现精确的电导率测量，从较低的μS到几百mS的范围，它还优化了 AD5934 在很大导纳范围内的整体精度。此外还集成了使用Pt100电阻温度检测器(RTD)的温度测量功能。该电路可以使用8引脚IMOD(I²C接口)连接器来连接到微处理器评估板，以实现快速原型开发(Digilent Pmod™规格)。

该电路主要由四个模块组成。第一个模块是阻抗到数字转换器，包含：AD5934(U3)阻抗转换器；用于将交流信号偏置至VDD/2的跟随器( AD8606的一半，U2A)；使用AD8606的另一半的电流电压转换器配置U2B。有关AD5934工作的详细信息参见 电路笔记CN-0217 和AD5934数据手册。

第二个模块是可编程电阻反馈(R6、R8、R9)和校准电路(R3、R4、R7)以及8通道单刀单掷开关 ADG715 (U1)。它通过I²C串行接口控制ADG715，以实现测量范围和校准程序。

第三个模块是ADuM1250(U5)热插拔数字隔离器，用于将串行数据从AD5934(U3)传输到IMOD CON (J2)。第四个模块是ADuM5000(U4)，它是隔离式DC-DC转换器，具有3.3 V的输出电压，为电路提供电源。

但是，第三个模块和第四个模块是可选的，它们提供电路和微处理器评估板之间的电流隔离。除非必须隔离，否则这两个模块不是必需的。

该电路使用CON1 (J1)连接器连接到带有内置Pt100 RTD温度传感器的电导池。

利用一个稳定的低抖动FXO-HC536R-1 (U6)石英晶体振荡器，将施加于MCLK引脚的时钟频率设置为1 MHz。此隔离器让AD5934能够激励频率为2 kHz的电导池，非常适合电导率测量。


电路设计

图2显示了电路中使用的电导率和温度测量的优化信号链。AD5934具有四个可编程输出电压范围。每个范围都有对应的输出阻抗。例如，1.98 V p-p输出电压的输出阻抗一般为200 Ω(参见AD5934数据手册)。输出阻抗会影响阻抗测量精度，在低ohm范围内尤为突出。在信号链内的简易缓冲器可防止输出阻抗影响未知的阻抗测量。应选择低输出阻抗放大器，保证足够的带宽来适应AD5934的激励频率。针对 AD8605/ AD8606/ AD8608 系列的CMOS运算放大器，能够实现的低输出阻抗示例如图2所示。在增益为1时，此放大器的输出阻抗小于1 Ω(最高100 kHz)，这是AD5934的最高工作范围。

图2.电导率和温度测量的优化信号链

AD5934中的四个可编程输出电压范围具有四个关联的偏置电压(参见AD5934数据手册)。例如，1.98 V p-p激励电压需要1.48 V的偏置。但是，AD5934的电流电压(I-V)接收级设置为固定偏压VDD/2。因此，对于3.3 V电源，发射偏压为1.48 V，而接收偏压为3.3 V/2 = 1.65 V。此电位差会引起测试溶液Y _X极化，并可导致电导率测量不准确。一种解决方案是添加一个在低Hz范围内具有转折频率的简单高通滤波器(参见电路笔记CN-0217)。消除发射级的直流偏置，并将交流信号重新偏置至VDD/2，在整个信号链中保持直流电平恒定。R1和R5(10 kΩ)两者均使用精度0.1%的电阻作为偏置电阻以减少误差。

AD5934的I-V放大级还可能轻微增加信号链的误差。I-V转换级易受放大器的偏置电流、失调电压和共模抑制比(CMRR)影响。通过选择适当的外部分立放大器(U2B)来执行I-V转换，可以提高精度。选择AD8606的原因是该器件具有低失调电压(最大值65 μV)、低偏置电流(最大值1 pA)、高CMRR(通常为95 dB)、低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。该内部放大器随后可配置成一个简单的反相增益级。如 AN-1252 应用笔记中所述，R _FB仍根据系统的整体增益来选择。I-V转换器的输入和输出必须精确偏置为VDD/2。R12和R13(10 kΩ)两者均使用精度0.1%的电阻作为偏置电阻。

精度很大程度上取决于未知阻抗范围(电导率范围)相对于校准电阻R _CAL的大小幅度(参见电路笔记CN-0217和应用笔记AN-1252)。选择接近未知阻抗的R _CAL可实现更精确的测量，即以R _CAL为中心的未知阻抗范围越小，测量精度越高。因此，对于较大的未知阻抗范围，可在各种R _CAL电阻之间切换，如图2中所示。在R _CAL增益系数计算期间可通过校准消除开关的导通电阻(R _ON)误差。使用不同反馈电阻(R _FB)值(见图2)可优化ADC所获得信号动态范围。

为了改进图1中所示的大范围电导的精度，使用三个校准电阻R _CAL(100 Ω、1 kΩ和10 kΩ)、两个反馈电阻R _FB(100 Ω和10 kΩ)，由软件和 ADG715 八通道开关控制。电路设置为在两个范围内运行：

• 低范围：μS至mS，R_FB = 1 kΩ，R_CAL = 1 kΩ 和 10 kΩ
• 高范围：mS 至S， R_FB = 100 Ω，R_CAL = 100 Ω 和 1 kΩ

使用这两个范围，整体测量范围为25 μS t 至200 mS，精度高于1% FSR，如测试数据所示。可以选择R _CAL和R _FB的其他值以覆盖不同的范围。

CN-0349 评估软件 允许电路在三种模式下工作。在模式1(图2中开关的位置1)中，低范围和高范围的校准程序都是自动执行的。在模式2(图2中开关的位置2)中，溶液的温度测量使用外部Pt100 RTD温度传感器自动执行。在模式3(图2中开关的位置3)中，测量溶液的实际电导率。


校准程序

对于图1显示的电路，校准程序使用三个精密电阻R_CAL(R3 =100 Ω、R4 = 1 kΩ和R7 = 10 kΩ)进行三点校准，最大程度地减小失调和增益误差，在每个范围内使系统线性化。对于每个范围，校准程序在输入范围的开头和末尾执行，使用两个参考信号(校准电阻)Y_L和Y_H，如图3所示。参考信号的值预加载在微控制器的存储器中，也可以通过键盘输入。

对于低范围校准点，参考信号是Y_L(例如，Y_L= 1/R7 =1/10000 Ω = 0.1 mS)。当参考信号Y_L连接时，将获取与参考信号Y_L相对应的代码N_L(幅值M_L)。同样，对于高范围校准点，参考是信号Y_H(例如，Y_H= 1/R4 = 1/1000 Ω = 1 mS)。当参考信号Y_H连接时，将获取与参考信号Y_H相对应的代码N_H(幅值M_H)。

图3.电导率测量的两点校准

然后按照公式1计算增益系数(GF)



系统的失调(N _OS)可通过参考图3确定，并按照公式2计算。



在测量模式中，未知输入信号(Y _X)在代码(N _X)中转换，并按照公式3计算。



对于高范围，程序是相同的，但参考信号如下：Y _L = 1/R4 = 1/1000 Ω = 1 mS，Y _H = 1/R3 = 1/100 Ω = 10 mS。

为了在低电导范围(高电阻)内实现更宽的测量范围，我们使用 AD5934的2 V p-p激励输出电压。为了在高电导范围(低电阻)内扩大测量范围，在保持2 V p-p激励输出电压的同时，还串行连接了一个精密电阻R₂ = 100 Ω，具有未知电导Y_X。可以使用其他输出电压范围来优化高电导范围(低电阻)内的ADC动态范围，如 电路笔记CN-0217 和 应用笔记 AN-1252中所示。


测试数据结果

使用图1中的校准值和反馈电阻，按照“电路设计”部分和“校准程序”部分中所述，我们进行了一系列试验。

表1、表2和表3显示了低范围模式和高范围模式下的结果。表4、表5和表6显示了每个范围的相对误差和相应读数。具有0.1%或0.2%容差的精密非感性电阻定义了输入(未知电导Y_X)。表中使用的符号定义如下：

• R_X：参考电阻
• Y_X：计算的参考电导率
• Y_R：测量的电导率(读数)
• R_R：测量的电阻(读数)
• R_R：校正的电阻 = R_R – R_R (对于 R_X = 0)

低范围电导率测量

经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工作，并具有良好的精度。可以使用其他高精度运算放大器，取代双通道版本AD8606。可以使用两个单通道版本AD8605运算放大器，而不是使用AD8606，以便进行PCB布局。AD8608是AD8605的四通道版本，在需要额外的精密运算放大器时，可以替代AD8606。AD8601、AD8602和AD8604分别为单通道、双通道和四通道轨到轨、输入和输出、单电源放大器，具有超低失调电压和宽信号带宽等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608。

AD5933阻抗转换器类似于AD5934，并将片上集成频率发生器与12位1 MSPS ADC组合在一起。

ADM3260是一款支持热插拔的双通道I ²C隔离器，集成了DC-DC转换器，可用于取代ADuM5000和ADuM1250组合。

如果不需要电流隔离，则可将电源和I ²C线路直接连接到微处理器。

本电路采用EVAL-CN0349-PMDZ电路板、 SDP-PMD-IB1Z 和 EVAL-SDP-CB1Z 演示平台(SDP)评估板。转接板SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z板采用120引脚对接连接器。转接板SDP-PMD-IB1Z和EVAL-CN0349-PMDZ板采用8引脚IMOD对接连接器，可快速进行设置和评估电路性能。EVAL-CN0349-PMDZ板包含要评估的电路，SDP评估板与CN-0349评估软件一起使用，可从EVAL-CN0349-PMDZ电路板获取数据。


设备要求

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