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低功耗有毒气体探测器的设计

2012-03-21 16:51
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  对于这种应用中的便携式仪表,实现最长的电池寿命是最重要的目标,因此,必须将功耗降到最低,这一点至关重要。在典型的低功耗系统中,测量电路上电后执行一次测量,然后关断进入长时间待机状态。然而,在这种应用中,由于电化学传感器的时间常数很长,测量电路必须始终保持上电状态。幸运的是,因为响应缓慢,所以我们可以使用微功耗放大器、高值电阻和低频滤波器,从而将约翰逊噪声和1/f噪声降至最低。此外,单电源供电可避免双极性电源的功率浪费现象。

  图2给出了该便携式气体探测器的电路。双通道微功耗放大器 ADA4505-2在恒电位配置(U2-A)和跨导配置(U2-B)下使用。该放大器的功耗和输入偏置电流非常低,对于恒电位部分和跨导部分都是很好的选择。每个放大器的功耗仅10 μA,因此电池寿命非常长。

 

图2. 使用电化学传感器的便携式气体探测器

  在三电极电化学传感器中,目标气体扩散到传感器,通过一层薄膜后作用于工作电极(WE)。恒电位电路检测参考电极(RE)的电压,并向辅助电极(CE)提供电流,使RE端与WE端之间的电压保持恒定。RE端没有电流流进或流出,因此流出CE端的电流流进WE端,该电流与目标气体浓度成正比。流过WE端的电流可能是正值,也可能是负值,具体取决于传感器中发生的是还原反应还是氧化反应。对于一氧化碳,发生氧化时,CE端电流为负值(电流流入恒电位运算放大器的输出端)。电阻R4通常非常小,因此WE端的电压约等于VREF.

  流入WE端的电流会导致U2-A的输出端产生相对于WE端的负电压。对于一氧化碳传感器,此电压通常为数百毫伏,但对于其它类型的传感器,此电压可能高达1 V。为采用单电源供电,微功耗基准电压源 ADR291(U1)将整个电路提升到地以上2.5 V。ADR291的功耗仅12 μA;它还能提供基准电压,以使模数转换器可对此电路的输出进行数字化处理。

  跨导放大器的输出电压为:

  

  其中:

  IWE 为流入WE端的电流。

  Rf 为跨导电阻(在图2中显示为U4)。

  传感器的最大响应为90 nA/ppm,如表2所示,其最大输入范围为2,000 ppm。因此,最大输出电流为180 μA,最大输出电压由跨导电阻决定,如公式2所示。

  

  针对不同气体或来自不同制造商的传感器具有不同的电流输出范围。如果U4使用可编程变阻器AD5271,而不是固定电阻,就可以针对不同的气体传感器采用相同的结构和材料。此外,这样的产品还支持调换传感器,因为微控制器可以针对不同的气体传感器,将AD5271设置为适当的电阻值。AD5271的温度系数为5 ppm/°C,优于大多数分立电阻;其电源电流为1 μA,对系统功耗的影响极小。

 

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