基于最新精密模擬微控制器&電子化學(xué)傳感器打造智能環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

現(xiàn)實(shí)世界中越來越多使用化學(xué)分析儀器進(jìn)行測試和測量，從而為人類造福。這包括諸如環(huán)境空氣和水質(zhì)監(jiān)測、為提高食品質(zhì)量而進(jìn)行的材料和產(chǎn)品分析，以及石油和地球物理探勘、深海科學(xué)探索等應(yīng)用。

實(shí)施這些技術(shù)的分析方法應(yīng)根據(jù)樣本類型和測量特性進(jìn)行選擇，具體包括光譜學(xué)、光譜測定法和電化學(xué)法等，準(zhǔn)確、高可信度的檢測、識別和特性鑒定取決于精確感應(yīng)能力和電子產(chǎn)品，其中高性能信號鏈、傳感器、電源和處理器解決方案能確保檢測極限和精度不會受到電子產(chǎn)品設(shè)計的制約。本文將結(jié)合全球高性能模擬技術(shù)提供商ADI最新發(fā)布的高性能模擬前端芯片ADuCM355，談?wù)剼怏w與水質(zhì)檢測等應(yīng)用。

ADuCM355 精密模擬微控制器。

電化學(xué)和生物傳感器的“最佳搭檔”——ADuCM355

ADuCM355是ADI在一年前發(fā)布的一款最新片內(nèi)系統(tǒng)，可控制和測量電化學(xué)傳感器和生物傳感器，是一款基于Arm? Cortex?-M3處理器的超低功耗、混合信號微控制器，具有的電流、電壓和阻抗測量功能特別適合電化學(xué)傳感器和生物傳感器信號采集測量和控制。

ADuCM355內(nèi)置集成輸入緩沖器的16位、400 kSPS多通道逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、抗混疊濾波器(AAF)和可編程增益放大器(PGA)。電流輸入包括三個具有可編程增益的跨導(dǎo)放大器(TIA)和用于測量不同傳感器類型的負(fù)載電阻。模擬前端還包含兩個專門針對恒電勢器能力而設(shè)計的低功耗放大器，使外部電化學(xué)傳感器保持恒定的偏置電壓。這兩個放大器的同相輸入由片內(nèi)雙通道輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)進(jìn)行控制。模擬輸出包括高速DAC和用于產(chǎn)生交流信號的輸出放大器。

基于ADuCM355的電化學(xué)有毒氣體監(jiān)測應(yīng)用電路原理圖。

ADC的轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)400 kSPS，且具有?0.9 V至+0.9 V輸入范圍。ADC前面的輸入復(fù)用器允許用戶選擇輸入通道進(jìn)行測量。這些輸入通道包括三個外部電流輸入、多個外部電壓輸入和內(nèi)部通道。利用內(nèi)部通道，可對內(nèi)部電源電壓、裸片溫度和基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行診斷測量。

該混合信號微控制器集成了三個電壓DAC中有兩個是雙通道輸出、12位電阻串DAC。每個DAC的一個輸出可控制恒電勢器放大器的同相輸入，另一個控制TIA的同相輸入。第三個DAC（有時被稱為高速DAC）針對用于阻抗測量的高功率TIA而設(shè)計。此DAC的輸出頻率范圍高達(dá)200 kHz。

作為可實(shí)現(xiàn)新一代智能電子化學(xué)傳感器的新型傳感器接口IC，ADuCM355帶有生物傳感器和化學(xué)傳感器接口，是目前能夠在單個芯片上同時實(shí)現(xiàn)恒電位儀和電化學(xué)阻抗頻譜分析儀(EIS)功能的唯一解決方案，是工業(yè)氣體檢測、儀器儀表、生命體征監(jiān)測和疾病管理等應(yīng)用的理想解決方案。

基于ADuCM355打造全面的監(jiān)測應(yīng)用

隨著全球環(huán)保意識的空前高漲，特別是中國政府對環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)的決心增強(qiáng)，換將監(jiān)測產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展良機(jī)，其中空氣監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、土壤監(jiān)測的市場機(jī)會猛然增加。此外，食物安全和健康產(chǎn)業(yè)相關(guān)的監(jiān)測應(yīng)用也日益顯著增長。ADuCM355憑借其獨(dú)特的傳感器接口功能和片上配置資源，特別瞄準(zhǔn)了氣體探測、食品質(zhì)量監(jiān)測、環(huán)境檢測（空氣、水和土壤），以及血糖儀、生命科學(xué)和生物感測分析和生物阻抗測量等應(yīng)用。

ADI公司在2018國際電子展覽會上展出的基于ADuCM355的氣體監(jiān)測演示模板。

ADI公司在2018國際電子展覽會上展出的基于ADuCM355用于電化學(xué)氣體感測的新款全集成信號鏈解決方案。如上圖所示。展示ADuCM355的氣體檢測功能，該參考設(shè)計與Arduino兼容，可以測量多達(dá)4個電化學(xué)傳感器。在展示現(xiàn)場設(shè)置檢測兩種氣體，分別是氧氣和一氧化碳，通過采用一氧化碳探測器噴霧器進(jìn)行傳感器激發(fā)，可以在屏幕上直接觀察到靈敏準(zhǔn)確的結(jié)果。

作為一款非常適合電化學(xué)氣體檢測應(yīng)用的單芯片解決方案，借助ADuCM355能夠快速制作出氣體檢測解決方案原型，其集成了兩個穩(wěn)壓器D/A和A/D轉(zhuǎn)換器，以及Cortex-M3微控制器，它還配有阻抗光譜引擎，可以對電化學(xué)傳感器執(zhí)行板載診斷，有助于延長傳感器的使用壽命并檢測其運(yùn)行狀況。該器件集成了行業(yè)最先進(jìn)的傳感器診斷技術(shù)，具有卓越的低噪聲和低功耗性能，并且尺寸最小。傳統(tǒng)的分立式解決方案往往具有一些局限性，并且需要多個IC才能實(shí)現(xiàn)類似性能，相比之下，ADI的新型微控制器平臺能夠提供更高的可靠性和極大靈活性，并且可以顯著節(jié)約成本。

Honeywell 工業(yè)安全便攜氣體檢測儀

現(xiàn)場還展示了一款Honeywell 工業(yè)安全便攜氣體檢測部開發(fā)的氣體監(jiān)測便攜產(chǎn)品，該產(chǎn)品獨(dú)特地結(jié)合了實(shí)現(xiàn)新一代便攜式氣體檢測器所需的高性能、超低功耗、小尺寸和先進(jìn)的特性組合，利用ADuCM355這個平臺解決方案實(shí)現(xiàn)了可靠氣體檢測的新標(biāo)準(zhǔn)本。

事實(shí)上，這款精密模擬微控制器還同時適用于儀器儀表和生命體征監(jiān)測，例如荷蘭恒電位儀的生產(chǎn)商Palmsens就是一家致力于為客戶打造更簡單、更易攜帶和使用的電子化學(xué)產(chǎn)品，該公司發(fā)布的EmStatPico是全球最小的通用電子化學(xué)接口模塊，即以ADuCM355 為核心打造的一套完整的硬件和軟件設(shè)計平臺，可實(shí)現(xiàn)分鐘級測量，非常適合便攜式、可穿戴式和空間受限的傳感器應(yīng)用的開發(fā)。