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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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  采用5 V单电源供电时,根据公式1可知,跨导放大器U2-B的输出范围为2.5 V。如果将AD5271设置为12.5 kΩ,就可以利用传感器最差灵敏度情况下的范围,并能提供大约10%的超量程能力。

  使用65 nA/ppm的典型传感器响应,可以通过下式将输出电压转换为一氧化碳的ppm:

  

  采用差分输入ADC时,只需将2.5 V基准电压输出端连接到ADC的AIN-端,从而消除公式3中的2.5 V项。

  电阻R4使跨导放大器的噪声增益保持在合理水平。R4的值需权衡两个因素:噪声增益的幅度和暴露于高浓度气体时传感器的建立时间误差。对于本电路,R4 = 33 Ω,由此可计算噪声增益等于380,如公式4所示。

  

  跨导放大器的输入噪声应乘以此增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为2.95 μV p-p,因此输出端的噪声为:

  

  该输出噪声相当于1.3 ppm p-p以上的气体浓度,这种低频噪声难以滤除。幸好传感器响应非常慢,因此由R5和C6构成的低通滤波器可以具有0.16 Hz的截止频率。此滤波器的时间常数为1秒,与传感器的30秒响应时间相比可忽略不计。

  Q1为P沟道JFET。电路启动时,栅极电压为VCC,晶体管断开。系统关断时,栅极电压降至0 V,JFET开启,使RE端和WE端保持相同的电位。当电路再次启动时,这可以大大改善传感器的开启建立时间。

  该电路由两节AAA电池供电。使用二极管提供反向电压保护会浪费宝贵的电能,因此本电路使用P沟道MOSFET (Q2)。该MOSFET通过阻塞反向电压来保护电路,施加正电压时导通。MOSFET的导通电阻小于100 mΩ,因此它引起的压降远小于二极管。除AAA电池以外,降压-升压调节器ADP2503还允许使用最高5.5 V的外部电源。在省电模式下工作时,ADP2503的功耗仅38 μA。由L2、C12和C13构成的滤波器可消除模拟电源轨产生的任何开关噪声。连接外部电源时,该仪表不是通过一个电路来断开电池,而是利用一个插孔以机械方式断开电池,从而避免电能浪费。

  使用AAA电池时,正常情况(未检测到气体)下的总功耗约为100 μA,最差情况(检测到2,000 ppm CO)下的总功耗约为428 μA。如果该仪表与一个微控制器相连,在不进行测量时可进入低功耗待机模式,则电池寿命可达1年以上。

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