【導(dǎo)讀】該電路針對Figaro TGS8100傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，傳感器由MOS檢測芯片和集成加熱器（利用MEMS技術(shù)形成于硅基板）構(gòu)成。適當(dāng)修改硬件和軟件，便可使用其他MOS傳感器。測試是在氣體腔中利用一氧化碳完成。結(jié)果與傳感器數(shù)據(jù)手冊規(guī)格進(jìn)行了相關(guān)性分析。
電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路利用金屬氧化物傳感器檢測揮發(fā)性有機(jī)化合物組成的氣體，從而測量室內(nèi)空氣質(zhì)量。傳感器由加熱電阻和檢測電阻組成。當(dāng)加熱檢測電阻時(shí)，其值隨不同氣體的濃度而改變。
該電路利用12位電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來精密控制加熱器電流，靈活的軟件允許加熱器采用如下四種工作模式中的一種：恒流、恒壓、恒阻和恒溫。
通過軟件可選的五種范圍電阻分壓器，該電路能夠測量廣泛的檢測電阻值。電路板還包含溫度和濕度傳感器，用于補(bǔ)償氣體濃度值。
圖1.完整的單電源16位揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測器，采用金屬氧化物傳感器和12位電流輸出DAC（簡化原理圖，未顯示所有連接和去耦）
電路描述
該電路針對Figaro TGS8100傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，傳感器由MOS檢測芯片和集成加熱器（利用MEMS技術(shù)形成于硅基板）構(gòu)成。適當(dāng)修改硬件和軟件，便可使用其他MOS傳感器。
測試是在氣體腔中利用一氧化碳完成。結(jié)果與傳感器數(shù)據(jù)手冊規(guī)格進(jìn)行了相關(guān)性分析。
加熱器驅(qū)動(dòng)器
ADN8810是一款12位電流源，可提供高達(dá)300 mA的可調(diào)輸出電流。滿量程電流通過兩個(gè)輸出檢測電阻設(shè)置。這些電阻的選擇和滿量程電流的設(shè)置對板上安裝的傳感器的設(shè)計(jì)規(guī)格非常重要。滿量程電流設(shè)置不得違反傳感器最大額定值，以免發(fā)生故障。
使用41.2 ?檢測電阻，電路板的滿量程電流設(shè)置為大約9.94 mA，這是TGS8100傳感器的安全上限，其推薦工作電流為8 mA。滿量程電流與檢測電阻值存在如下關(guān)系：
未進(jìn)行校準(zhǔn)的ADN8810的滿量程精度為1%。如果需要更高精度，可利用71.5 ?或10 ?精密電阻和P2跳線校準(zhǔn)滿量程電流輸出。
所有工作模式（恒流、恒壓、恒阻和恒溫）為了維持指定參數(shù)的值，都要控制流經(jīng)加熱電阻的電流量，并利用AD7988-1模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測量加熱器電壓。
加熱器電阻和加熱器溫度之間的關(guān)系
加熱器電阻RH_T與加熱器溫度TH之間的關(guān)系可通過下式來表示：
從TGS8100數(shù)據(jù)手冊獲得如下標(biāo)稱值：VH = 1.8 V，T_0 = 20℃時(shí)RH_0 = 110 Ω。T_H = 360℃時(shí)，RH_T = 225 Ω。然后代入并求解上式，得到常數(shù)ALPHA = 0.003074。
可以重新整理該式，求得TH與RH的函數(shù)關(guān)系：
ALPHA
設(shè)置模式值之前，先確定環(huán)境溫度T_A時(shí)的加熱器實(shí)際電阻RH_A。為確定此值，將8 mA電流施加于加熱器，并在施加電流后的20 μs內(nèi)測量加熱器電壓(VH_A)。此時(shí)，加熱器仍處于環(huán)境溫度。環(huán)境溫度時(shí)的加熱器電阻根據(jù)RH_A = VH_A/8 mA計(jì)算。同時(shí)記錄環(huán)境溫度T_A和濕度HUM。
前面的等式必須稍加修改，因?yàn)閷?shí)際環(huán)境溫度T_A可能不同于數(shù)據(jù)手冊值T_0 = 20℃。加上修正因子之后，兩個(gè)等式變?yōu)椋?/div>
加熱器工作模式
下面詳細(xì)說明加熱器工作模式。
加熱器恒壓
加熱器恒壓模式是最常見的工作模式。TGS8100傳感器的推薦電壓為1.8 V ± 2%。一個(gè)迭代程序調(diào)整加熱器電流IH，直至測得的加熱器電壓為1.8 V，然后根據(jù)RH_T = VH/IH計(jì)算對應(yīng)的加熱器電阻RH_T。對應(yīng)的加熱器溫度可根據(jù)等式5計(jì)算。
加熱器恒流
所需加熱器電流IH在ADN8810DAC中設(shè)置。測量加熱器電壓VH。加熱器電阻根據(jù)RH_T = VH/IH計(jì)算。對應(yīng)的加熱器溫度根據(jù)等式5計(jì)算。
加熱器恒溫
對應(yīng)于所需加熱器溫度TH的加熱器電阻RH_T根據(jù)等式4計(jì)算。一個(gè)迭代程序調(diào)整加熱器電流IH，并測量加熱器電壓VH，直至達(dá)到所需的加熱器電阻VH/IH = RH_T。
加熱器恒阻
一個(gè)迭代程序調(diào)整加熱器電流IH，并測量加熱器電壓VH，直至達(dá)到所需的加熱器電阻VH/IH = RH_T。對應(yīng)的加熱器溫度根據(jù)等式5計(jì)算。
檢測電阻測量
傳感器檢測元件的電阻值可以通過下式確定：
其中：
RS為檢測元件的電阻。
VS為RS上的對地電壓。
RG為分壓器所用的范圍設(shè)置電阻。
VREF為基準(zhǔn)電壓值(4.096 V)。
為了覆蓋30 Ω至30 MΩ的RS范圍，利用低壓CMOS模擬多路復(fù)用器ADG758選擇五個(gè)RG電阻中的一個(gè)。該電路使用S1至S5通道，對應(yīng)的RG電阻值分別為8.87 kΩ、39.2 kΩ、110 kΩ、2.74 MΩ和33 MΩ。
利用分壓器中的RG電阻以及RS和VREF，現(xiàn)在便可通過等式6確定檢測電阻RS的值。
來自檢測電阻分壓器的輸出電壓被超低失調(diào)、漂移和偏置電流的運(yùn)算放大器AD8628放大2倍以匹配AD7988-1 ADC的輸入范圍。
AD7988-1是一款低功耗、100 kSPS 16位逐次逼近型ADC，用于轉(zhuǎn)換傳感器加熱和檢測元件的電壓讀數(shù)。
ADG884是一款軟件可選低壓CMOS雙通道單刀雙擲開關(guān)，用于切換傳感器加熱和檢測元件的電壓讀數(shù)。
ADR4540是一款超低噪聲、低功耗基準(zhǔn)電壓源。它為ADN8810、AD7988-1和RG分壓器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高精度4.096 V基準(zhǔn)電壓，具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲，功耗最大值僅950 μA。
ADP196是一款邏輯控制的高端功率開關(guān)，可通過ADICUP360的數(shù)字輸入/輸出引腳完全關(guān)斷整個(gè)電路，將電路功耗降至400 µW。此特性利用數(shù)字輸入/輸出引腳實(shí)現(xiàn)電路板關(guān)斷功能，使其成為出色的低功耗候選解決方案。
ADP124是一款低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器，用于提供AD7798-1的2.5 V電源電壓。
該電路還在集成了板載Sensirion SHT30溫度和濕度傳感器，用于補(bǔ)償氣體濃度計(jì)算。
這些IC的組合為室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物監(jiān)測應(yīng)用提供了一種低功耗解決方案。
傳感器電阻轉(zhuǎn)換為氣體濃度
TGS8100傳感器數(shù)據(jù)手冊給出了濃度與RS/R0的典型關(guān)系曲線，其中R0為無氣體存在時(shí)的監(jiān)測電阻值。一氧化碳?xì)怏w(CO)的曲線可通過兩個(gè)等式近似求得，取決于RS/R0比值。這些等式適用于1 ppm到100 ppm的CO濃度水平。
RS/R0介于0.05和0.6之間時(shí)：
加熱器控制軟件
CN-0395的演示軟件顯示了加熱器在T_0或干凈空氣工作模式下的檢測電阻讀數(shù)，用于計(jì)算的電流檢測電阻讀數(shù)，以及算出的氣體濃度。
加熱器有四種工作模式：恒壓、恒流、恒阻和恒溫。
在恒壓模式下，假設(shè)加熱器初始電阻為225 ?，通過計(jì)算誤差電壓并相應(yīng)地調(diào)整輸出電流來將所需加熱器電壓維持在0.5%精度。
如果誤差不在指定容差范圍內(nèi)，則需將新的加熱器電流設(shè)置到ADN8810中。新的加熱器電流通過下式計(jì)算：
其中：
IH2為第二次迭代的加熱器電流。
IH1為第一次迭代的加熱器電流。
E1為第一次迭代的電壓誤差。
可能需要多次迭代才能使其落在所需電壓范圍內(nèi)，但若誤差在0.5%以內(nèi)，則迭代結(jié)束。
傳感器電阻測量軟件
軟件利用等式6測量傳感器電阻RS。算法逐個(gè)嘗試增益電阻范圍，從最高范圍(RG1 = 33 M?)開始，直至達(dá)到正確范圍。確定RS之后，利用下一部分給出的等式將其轉(zhuǎn)換為氣體濃度。
測試結(jié)果
該電路在暴露于各種不同濃度CO氣體的氣體測試容器中進(jìn)行了測試。為了實(shí)現(xiàn)不同濃度，一氧化碳按一定的比率與合成空氣混合。氣體混合物經(jīng)過一個(gè)加濕器，凈化后以1 ln/min的恒定速率通往氣體測試容器，如圖2所示。
圖2.氣體測試設(shè)置
對于測試設(shè)置，RS/R0與氣體濃度結(jié)果的關(guān)系如圖3中藍(lán)色曲線所示。紅色曲線顯示的是利用等式7和等式8近似計(jì)算所預(yù)測的典型濃度值。100 ppm時(shí)RS/R0的差約為25%。
圖3.實(shí)測RS/R0比值與CO氣體濃度的關(guān)系
為了獲得更精確的濃度結(jié)果，應(yīng)利用已知濃度的目標(biāo)氣體在一個(gè)腔中校準(zhǔn)系統(tǒng)。傳感器差異、接觸雜質(zhì)引起的傳感器污染、老化效應(yīng)、溫度、相對濕度、穩(wěn)定時(shí)間和合成混合空氣的純度，都會(huì)影響最終結(jié)果。
獲得一致結(jié)果的重要條件是讓傳感器在環(huán)境空氣中穩(wěn)定至少30分鐘，并且先給加熱器通電，再測量R0。在每種濃度水平下，必須同樣給予充足的穩(wěn)定時(shí)間。對于圖3所示結(jié)果，R0穩(wěn)定時(shí)間為1小時(shí)，每種濃度水平下的穩(wěn)定時(shí)間為10分鐘。延長穩(wěn)定時(shí)間可能會(huì)提高精度。
電路板布局考量
應(yīng)當(dāng)精心考慮電路板上的電源和接地回路布局。印刷電路設(shè)計(jì)必須將模擬部分與數(shù)字部分分離。如果該電路所在系統(tǒng)有多個(gè)器件要求模擬地至數(shù)字地連接，則只能在一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行連接。通過至少0.1 μF電容旁路所有器件的電源。這些旁路電容必須盡可能靠近器件，電容最好正對著器件。所選0.1 μF電容應(yīng)當(dāng)具有低有效串聯(lián)電阻(ESR)和低有效串聯(lián)電感(ESL)，例如陶瓷型電容。0.1 μF電容為瞬變電流提供低阻抗接地路徑。電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗供電路徑。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)（請參考教程MT-031——實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán)和教程MT-101——去耦技術(shù)）。
如需獲得包括原理圖、布局布線和物料清單在內(nèi)的EVAL-CN0395-ARDZ完整文檔，請?jiān)L問www.analog.com/CN0395-DesignSupport。
常見變化
權(quán)衡復(fù)雜性和成本，可以用DAC控制的電流源取代ADN8810。
如需更高分辨率ADC，請使用AD7989-1。如需更高采樣速率ADC，請使用AD7988-5或AD7989-5。
8:1多路復(fù)用器的另一個(gè)較佳選擇是ADG5208F，其增加了防閂鎖、過壓檢測和過壓保護(hù)特性。
電路評估與測試
本電路使用EVAL-CN0395-ARDZ電路板和EVAL-ADICUP360。EVAL-CN0395-ARDZ利用Arduino兼容引腳疊加在EVAL-ADICUP360板上。
設(shè)備要求
需要以下設(shè)備：
- 帶USB端口的Windows 7（64位）、Windows 8（64位）或Windows 10（64位）PC
- EVAL-CN0395-ARDZ電路評估板
- EVAL-ADICUP360評估板或等效Arduino接口
- USB A轉(zhuǎn)USB微型電纜
- EVAL-ADICUP360軟件(IDE)
- EVAL-CN0395-ARDZ示例代碼
開始使用
將示例代碼載入EVAL-ADICUP360 IDE，請按照EVAL-ADICUP360工具鏈設(shè)置用戶指南中的說明操作。
功能框圖
圖4所示為測試設(shè)置的功能框圖。
圖4.測試設(shè)置功能框圖
設(shè)置
連接EVAL-CN0395-ARDZ，利用Arduino兼容接頭和對應(yīng)接頭將其安裝在EVAL-ADICUP360板上方。然后將USB電纜從EVAL-ADICUP360的調(diào)試端口連接到PC的USB端口。
測試
示例代碼經(jīng)編譯并加載到EVAL-ADICUP360上且將EVAL-CN0395-ARDZ安裝在上面之后，器件與PC通信并顯示各通道的讀數(shù)。為測試該電路，可將電路板暴露在干凈空氣中以獲得初始讀數(shù)，然后暴露在不同濃度的揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體中。
圖5顯示EVAL-CN0395-ARDZ電路評估板的實(shí)物照片。
圖5.EVAL-CN0395-ARDZ電路評估板
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