采用ADuCM350的电流/恒电位仪测量

2016-02-29 13:29:17来源: EEWORLD
简介 
ADuCM350是一款超低功耗集成混合信号计量解决方案,包含一个微控制器子系统用于处理、控制和连接。 该处理器子系统基于低功耗ARM Cortex™-M3处理器,由数字外设、嵌入式SRAM和闪存、一个提供时钟、复位和功耗管理功能的模拟子系统组成。 
ADuCM350专门针对电化学反应的高精度分析而设计。
本应用笔记说明如何设置ADuCM350以在一个模拟典型电化学单元的RC传感器上进行电流/恒电位仪型测量。 
AFE和基本环路理论详解 
模拟前端 
ADuCM350模拟前端(AFE)数据采集环路由激励缓冲放大器环路、跨阻放大器(TIA)和开关矩阵组成。 开关矩阵是一个可编程接口,带有外部传感器配置和校准电阻。 
激励缓冲放大器环路用于: 
•缓冲经过滤波的DAC电压以提供必要的传感器激励电流。 
•为AFE激励环路提供增益以便精确设置传感器激励电压。 
•提供反馈电容和电阻以及来自激励缓冲器的增益,并在环路中放置一个零点以提高增益激励频率。 
•提供高阻抗输入,以便通过传感器的检测接入电阻精确检测激励电压。 
跨阻放大器用于: 
•为ADC测量提供电流到电压转换,其增益由外部电阻设置。 
•吸收传感器激励电流。 
•确保精确设置工作电极电压,其为传感器的共模电压。 
•提供ADC前方的抗混叠滤波器。 
开关矩阵用于: 
•相对于外部已知电阻校准未知传感器阻抗。 
•测量传感器接入电阻、开关电阻和漏电流以进行校准。 
基本环路理论 
图1显示了一个4线式传感器配置。 来自DAC的激励电压经过调理和缓冲后送至D节点。 此信号通过AFE8切换(开关D8闭合)到传感器的反电极。 工作电极保持AFE1处的固定共模电压(开关T1闭合)。 这导致一个电流从D节点经过传感器流到T节点。 此电流由TIA反馈路径上的RTIA转换为电压。 
流入T节点的电流 = (VCOUNTER – VWORKING)/ZSENSOR 
ADC看到的电压 = 流入T节点的电流 × RTIA 
传感器同时由P和N节点以差分方式进行检测。 P和N均通过仪表放大器利用AFE6(开关P6闭合)和AFE3(开关N3闭合)反馈到激励级的反馈环路中。 激励放大器环路迫使传感器上的差分电压(AFE6至AFE3)等于DAC输出电压。 P和N开关均有非常高的输入阻抗,以保证没有电流流入检测线。 这种单端激励/差分检测配置支持高精度的电流测量配置系统。 
对于2线或3线式传感器配置(典型台式恒电位仪型设备便是如此),P和/或N检测线可通过开关矩阵内部相连。 在图2中,P反馈连接AFE8(开关P8闭合),N反馈连接AFE1(开关N1闭合)。 
流入T节点的电流 = (VAFE8 – VAFE1)/(RA + ZSENSOR + RA) 
ADC看到的电压 = 流入T节点的电流 × RTIA 
 
图1. AFE激励环路框图—4线式配置 

 
图2. AFE激励环路框图—2线式配置 
电流测量示例
本节中的示例测量一个采用RC型传感器的2线式传感器配置中从反电极流到工作电极的电流。 配置如图3所示。 
在零时间处(t = 0),反电极处于中间电平(1.1 V),工作电极处于1.1 V的共模电压(VBIAS),传感器中无电流流动。 500 μs后(t = 1),将一个300 mV步进电压施加于传感器的反电极(配置DAC输出1.4 V)。 
由此产生的电流流经传感器,被RTIA和跨阻放大器转换为电压。 
注意,传感器详情如下: 
•CS = 10 µF 
•RS = 6.8 kΩ 
 
图3. RC传感器模型 
 
理论计算 
RC时间常数(τ)为RC电路的时间常数。 它是指电容通过电阻放电或充电,初始值与最终值之差达到约63.2%时所需的时间。 对于一个RC电路, 
τ = R × C 
τ = 6.8 kΩ ×10 μF = ~68 ms 
由于难以获得大于1 nF的高精度电容,故而使用一个大电容。 
此电容为±20% X5R电介质元件。 
 
图4. 传感器/TIA测量期间的理想ADC通道传递函数(7.5 kΩ RTIA) 
 
图4显示了针对TIA通道测量的ADC理想传递函数(RTIA为7.5 kΩ)。 
0xD000 – 0x3000 = 0xA000 = 40960(十进制) 
200 μA/40960 = 4.88 nA 
折合为TIA的输入电流时(假设RTIA为7.5 kΩ),这相当于ADC的1 LSB。 
计算可知,达到VMAX的63.2%需要4340个数字码。 
4.88 nA × 4340 = 21.1 μA 
采用LabVIEW GUI的电流测量设置 
测量利用ADuCM350评估板和LabVIEW®评估软件执行(参见图5)。 
在本节的例子中,该器件设置为2线模式,D和P连接到AFE6,T和N连接到AFE5。 这是通过AFE Switch Matrix Configuration(AFE开关矩阵配置)来完成的,如图5所示。 
电压步进设置为从0 V变为+300 mV,基准为1.1 V系统共模电压。 
使能电流电压开关(IVS)以分流TIA看到的初始电流尖峰,并将RTIA和CTIA短路以防止接收级到电压轨而丧失稳定性。 
TIA通道可以测量的最大电压为750 mV p-p。 选择7.5 kΩ RTIA,可以测量的最大电流为100 μA。 

图5. 采用ADuCM350评估套件的ADuCM350 LabVIEW GUI 
在DC Measurement UART Commands(直流测量UART命令)窗口中选择DC Measurement(直流测量),如图5所示。 设置完毕后,单击Go(启动)以执行测量。 
查看数据有以下两种选择: 
•转到Plot Measurement Data(测量数据绘图)窗口并选择所需的绘图。 本例选择DC: ADC Code vs. Time(直流:ADC代码与时间的关系),参见图6。 
•单击DC Measurement(直流测量)窗口上的Save to File(保存到文件)(参见图5),然后在Microsoft®Excel中打开文件。 
注意0.2秒后的RC阶跃响应。 
对于较大RC时间因数,当RC从浮空态被拉到已知状态时,开关从全部断开到全部闭合会有一个建立时间。 
此建立时间在LabVIEW中无法控制,因为开关闭合后有一个固定的等待时间。 它在IAR电流测量示例中可以进行控制。 更多信息参见“SDK中的Amperometic Measurement.c示例”部分。 

图6. ADuCM350 LabVIEW GUI—ADC结果绘图 
 
图7. ADuCM350 LabVIEW GUI—电流结果绘图 
 
SDK中的Amperometic Measurement.c示例 
在ADuCM350BBCZ IAR软件开发环境中找到电流测量示例项目。 例如:C:\Analog Devices\ADuCM350BBCZ\Eval-ADUCM350EBZ\examples\AmperometricMeasurement\iar\AmperometricMeasurement.eww。 
关于在IAR中设置测量的详细信息,参见图8。 
用户可控制的变量有: 
•直流电平1 
•直流电平2 
•直流电平1持续时间 
•直流电平2持续时间 
•IVS开关1持续时间 
•IVS开关2持续时间 
•衰减使能(DAC_ATTEN_EN) 
电源抑制滤波使能(LPFBYPASS) 
•使能IVS开关稳压器 
施加一个从直流电平1到直流电平2的步进电压。 使能IVS开关以防止TIA上出现电流尖峰,避免信号到轨(这与传感器相关,因此是一项很好的措施)。 
样本数受AFE DMA缓冲器大小的限制,最大限值为1024。 ADC采样速率为900 SPS;1.38秒后缓冲器填满。 
确定阶跃时间和相应的衰减时,需要考虑这一缓冲限制。 
对于较大RC时间因数,当RC从浮空态被拉到已知状态时,开关从全部断开到全部闭合会有一个建立时间。 此建立时间可由ADC转换来捕捉,除非开关闭合后有一个明显的延迟时间。 本例选择400 ms的延迟时间,以便环路能完全建立(参见图9中的第111行)。 注意:如果开关未从测量模式变为休眠模式,则发出开关闭合的初始命令之后,不需要这一延迟时间。

图8. ADuCM350 IAR中的电流测量设置 
 
图9. ADuCM350 IAR软件开发套件中的电流测量示例 
 
图10. ADuCM350 IAR结果—ADC代码复制自终端I/O窗口 
 
电流测量结果
RC时间常数
根据ADuCM350的实际测量,图6绘出了从约25900个数字码到32768个数字码(中间电平)的建立时间(单位为ADC LSB)。 
32768 – 25900 = 6868个数字码
时间常数(τ)为达到VMAX的63.2 %之后经过的时间。 
63.2% × 6868 = 4340个数字码
25900 + 4340 = 30240个数字码
图6显示,实际测量需要约65.6 ms以达到最终建立电压(中间电平)的63.2%。 
此测量值(~65.6 ms)与理论值68 ms符合得很好(更多信息参见“理论计算”部分)。 必须考虑电容的差异。 
ADC看到的电流 
参考图7中的实测电流曲线,ADuCM350测量的最大值为33.5 μA。 
63.2% × 33.5 μA = 21.17 µA
这与理论测量值21.1 μA非常接近(更多信息参见“理论计算”部分)。 
注意,本例仅使用了ADC完整范围中的一个小范围。 为了提高ADC的使用范围,可以采用如下措施: 
•提高步进电压幅度。 但对于某些电化学单元,这可能有所限制。  
•提高RTIA值,这会降低可测量的电流范围。 注意开关矩阵是可以配置的,如果需要可编程增益类型架构,用户可以切换使用不同的RTIA值。 
•考虑到这种特殊传感器的超慢衰减,还有一个选择是使用900 SPS ADC数据的移动平均来将分辨率从16位提高到17位/18位等。 
 

关键字:ADI  测量

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/article_2016022910397.html
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