郝埃连
分享资料个
图12. 测试设置功能框图 设置 执行下列步骤，设置待评估电路： 将EVAL-CN0338-ARDZ屏蔽板插入EVAL-ADICUP360平 台板。 按照EVAL-ADICUP360用户指南中的说明， 将 EVAL-ADICUP360虚拟COM USB端口连接至PC。 按照EVAL-ADICUP360用户指南中的说明，采用7 V至 12 V/1 A直流电源为EVAL-ADICUP360上电。 使用115200 Hz波特率和正确的虚拟COM端口设置终端 软件。 如果系统的波特率设置不正确， 则按下 EVAL-ADICUP360板上的RESET按钮设置默认值。 按照提示启动CN-0338，为第一次使用或硬件更改执行 系统校准例程。 校准例程针对sbllcalibrate命令采用标准(理想)比尔-朗伯 定律，针对mbllcalibrate命令采用修正后的比尔-朗伯定 律。若采用修正后的比尔-朗伯定律，则用户必须输入b 和c常数。 应用低浓度气体，然后输入百分比浓度xLOW。 应用最大浓度校准气体，然后输入浓度水平xCAL。程序 计算所需系数。常数保存在非易失性存储器中，直到执 行其它校准例程。 如果跳过校准例程，则在理想比尔-朗伯方程计算中采 用ZERO、b和TLOW的默认值。 输入run命令，然后程序便可持续显示二氧化碳浓度。 更多详情请参考CN-0338用户指南。 EVAL-CN0338-ARDZ Arduino屏蔽板的照片如图13所示。 
图13. EVAL-CN0338-ARDZ板照片 热电堆传感器由通常串联(或偶尔并联)的大量热电偶组成。串联热电偶的输出电压取决于热电偶结与基准结之间的温度差。该原理称为塞贝克效应。 本电路使用AD8629运算放大器放大热电堆传感器输出信号。热电堆输出电压相对较小(从几百微伏到几毫伏)，需要高增益和极低的失调与漂移，以避免直流误差。热电堆的高阻抗(典型值为84 k)要求低输入偏置电流以便最大程度减少误差，而AD8629的偏置电流仅为30 pA(典型值)。该器件随时间和温度变化的漂移极低，只要校准温度测量便可消除额外误差。与ADC采样速率同步的脉冲光源最大程度减少低频漂移和闪烁噪声引起的误差。 AD8629在1 kHz下的电压噪声频谱密度仅为22 nV/√Hz，低于37 nV/√Hz的热电堆电压噪声密度。 此外，AD8629在10 Hz下的电流噪声频谱密度极低，典型值仅为5 fA/Hz。该电流噪声流过84 k热电堆，10 Hz时的噪声贡献仅为420 pV/Hz。 低噪声放大器ADA4528-1缓冲的共模电压为200 mV，因此NTC和热电堆信号输出满足ADuCM360缓冲模式输入的要求。ADuCM360 ADC缓冲模式输入为AGND + 0.1 V至大约AVDD − 0.1 V。CN-0338 Arduino屏蔽板只需采用单输入ADC即可兼容其它类型的Arduino兼容型平台板。 ADP7105低压差调节器生成稳定的5 V输出电压以驱动灯， 并由ADuCM360开关。该电路的斩波频率范围为0.1 Hz至5 Hz，可通过软件选择。ADP7105具有软启动功能，冷启动灯时没有浪涌电流。 ADuCM360集成双通道、24位、-型ADC，在3.5 Hz至3.906 kHz的可编程速率范围内可同步采样双单元热电堆。NDIR系统的数据速率范围限制在3.5 Hz至483 Hz之间，以便具有最佳的噪声性能。 工作原理 为了理解热电堆，有必要回顾热电偶的基本理论。如果在绝对零度以上的任意温度下连接两种不同的金属，则两种金属之间会产生电位差(热电EMF或接触电位)，此电位差是结温的函数(参见图2中的热电EMF电路)。该效应称为塞贝克效应，以其发现者omas Johann Seebeck命名。 
图2. 热电偶原理 如果两根导线在两处相连，则形成两个结点(参见图2中连接负载的热电偶)。如果两个结点的温度不同，则电路中产生净EMF，并有电流流过，电流由EMF和电路总电阻决定(参见图2)。如果其中一根导线断开，则断点处电压等于电路的净热电EMF；并且如果该电压可以测得，便可利用其计算两个结点之间的温度差(参见图2中的热电偶电压测量)。记住，热电偶测量两个结点之间的温度差，而非一个结点处的绝对温度。只有当另一个结点(通常称为基准结点或冷结)已知的情况下，测量结点处的温度才可测得。 但是，要测量热电偶产生的电压却很困难。假设电压表连接第一个热电偶测量电路(参见图2中显示冷结的实际热电偶电压测量)。连接电压表的导线在连接处形成了更多的热电偶。如果这些额外的结点温度相同(无论温度是多少)，则中间金属法则表明它们对系统的总EMF没有净贡献。如果它们的温度不同，则产生误差。由于每一对不同的接触金属都会产生热电EMF——包括铜片/焊点、柯伐/铜片(柯伐是一种用于IC引线框架的合金)和铝/柯伐(IC内的焊接)——在实际电路中，问题更为复杂，有必要极其谨慎地确保热电偶周边电路的所有结点对(除测量结点和基准结点本身)的温度相同。 热电堆由大量热电偶串联而成，如图3所示。与单个热电 偶相比，热电堆产生的热电电压要高得多。 
图3. 多个热电偶组成热电堆 在NDIR应用中，脉冲和滤波红外光施加于串联有源结 点；因此，结点加热，产生较小的热电电压。基准结点的 温度由热敏电阻测量。 针对正电荷和负电荷，很多气体都有永久或非永久分隔的 中心。在红外频谱，气体可吸收特定频率，这种特性可以 用来进行气体分析。当红外辐射射入气体中，并且当红外 波长匹配分子的自然频率或谐振频率时，原子能态根据分 子的离散步长变化而振动。 对于大部分红外气体检测应用而言，目标气体的身份是已 知的，因此不需要气相色谱。然而，如果不同气体的吸收 线重叠，那么应用就必须处理这些气体之间一定程度上的 交叉灵敏度。 二氧化碳在4200 nm和4320 nm之间的吸收极强，如图4所示。 
图4. 二氧化碳(CO2)的吸收频谱 红外光源的可用输出范围和水的吸收频谱同样决定了检测 波长的选择。在3000 nm以下，以及4500 nm和8000 nm之 间，水具有较强的吸收。如果目标气体中有湿气(湿度高)， 则在这些范围内，检测气体频谱线的一切尝试都会受到较 强的干扰影响。图5显示了二氧化碳吸收频谱与水的吸收 频谱重叠。(所有吸收数据均来自HITRAN数据库。) 
图5. 二氧化碳与水的吸收频谱重叠 如果将红外光施加在双热电堆检测器上，并安装一对滤光 器，使其中一个滤光器聚焦在4260 nm，而另一个聚焦在 3910 nm，则通过两个热电堆的电压之比即可测得二氧化碳 浓度。吸收通道中的滤光器用作检测通道，吸收频谱外的 滤光器用作基准通道。 使用基准通道后，可消除灰尘或辐 射强度递减引起的测量误差。在3910 nm下方没有吸收线， 注意这一点很重要；这使得该区域成为基准通道的理想 地点。 NDIR检测中使用的热电堆具有相对较高的内部电阻，而 50 Hz/60 Hz电源线噪声会耦合进入信号路径。热电堆的源 阻抗可能为100 k左右，导致热噪声成为系统内的主要噪 声。例如，图1系统中选用的热电堆检测器电压噪声密度 为37 nV/Hz。使来自检测器的信号量最大化，并在电路中 使用较低增益，便有可能确保气体测量系统具有最佳性能。 使来自热电堆检测器的信号最大化的最佳方法是使用具有 高反射属性的采样腔，这样做可以确保检测器吸收信号源 的辐射，而不吸收腔室本身的辐射。使用反射腔室来减少 腔室吸收辐射量还可降低系统功耗，因为这样可以使用较 小的辐射源。 NDIR气体吸收的比尔-朗伯定律 有源检测器的红外密度以指数关系递减，此关系称为比尔- 朗伯定律： 其中： I表示目标气体的密度。 I0表示零气体的密度。 k表示特定气体和滤光器组合的吸收系数。 l表示灯与检测器之间的等效光学路径长度。 x表示气体浓度。 对于有源检测器输出，存在相应的输出电压变化V0 – V： 其中： FA表示小数吸收。 V0表示零气体的输出。 V表示目标气体的输出。 整理公式，并结合前面两个公式，可得： 如果k和l保持不变，FA可相对于x轴进行描绘，如图6所示 (其中，kl = 115、50、25、10和4.5)。FA值随c增加，但最终 在高气体浓度下饱和。 
图6. 典型小数吸收(kl = 4.5、10、25、50、115) 这一关系表明，对于任意固定的设置，低浓度时气体等级 变化的解析能力要优于高浓度；但是，可以调节k和l，以 便针对所需的气体浓度范围提供最佳吸收。这意味着较长 的光学路径更适合于低气体浓度，而较短的光学路径更适 合于高气体浓度。 下文描述了两点校准步骤，这在使用理想比尔-朗伯公式确 定kl常数的情况下是必需的。如果b = kl，则 第一部分校准要求对传感器组件施加低浓度CO2气体(或纯 氮气，即0% vol.)。 ACTLOW表示低浓度气体中有源检测器的峰峰值输出。 REFLOW表示低浓度气体中基准检测器的峰峰值输出。 TLOW表示低浓度气体的温度。 第二部分校准要求将已知浓度(xCAL)的二氧化碳气体施加到 组件上。通常，xCAL浓度水平选择浓度范围内的最大值(比 如针对工业空气质量范围，选择0.5% vol.)。 ACTCAL表示校准气体浓度为xCAL时，有源检测器的峰峰 值输出。 REFCAL表示校准气体浓度为xCAL时，基准检测器的峰峰 值输出。 以下含有两个未知数(I0和b)的联立方程可以写为： 求解i0和B两方程， 然后，对于未知浓度(x)的气体有： ACT表示未知气体中有源检测器的峰峰值输出。 REF表示未知气体中基准检测器的峰峰值输出。 T表示未知气体的温度，单位为K。 系数T/TLOW补偿浓度随温度的变化(因为使用了理想气体 定律)。 修正比尔-朗伯定律 出于实际考虑，在使用NDIR时，需要修改比尔-朗伯定律以得到精确的读数，如下所示： 因为并非所有受到有源热电堆冲击的红外辐射都会被气体 所吸收(哪怕气体浓度较高)，因而引入SPAN系数。由于滤 光器带宽和吸收频谱的精细结构，SPAN小于1。 光学路径长度的变化和光的散射要求增加功率项c，以便 使方程精确吻合实际吸收数据。 b和SPAN常数值同样取决于测量的浓度范围。典型浓度范 围如下所示： 工业空气质量(IAQ)：0至0.5% vol. (5000 ppm)。 注意， 环境空气中的二氧化碳浓度约为0.04% vol.，或400 ppm。 安全值：0至5% vol.。 燃烧：0至20% vol.。 过程控制：0至100% vol.。 特定系统的b和c实际值通常确定如下：取FA与浓度x的关 系曲线上的一个数据点，然后使用曲线拟合程序。 对于b和c常数已确定的给定系统，ZERO和SPAN的数值可 以使用两点校准法计算得到。 此过程的第一步是应用低气体浓度xLOW，并记录： ACTLOW: 低浓度气体中有源检测器的峰峰值输出。 REFLOW: 低浓度气体中基准检测器的峰峰值输出。 TLOW: 低浓度气体的温度，单位为K。 第二部分校准要求将已知浓度(xCAL)的二氧化碳气体施加到 组件上。通常，xCAL浓度水平选择浓度范围内的最大值(比 如针对工业空气质量范围，选择0.5% vol.)。记录以下内容： ACTCAL: 校准气体浓度为xCAL时，有源检测器的峰峰 值输出。 REFCAL: 校准气体浓度为xCAL时，基准检测器的峰峰 以下含有两个未知数(I0和SPAN)的联立方程可以写为： 求解两个方程中的ZERO和SPAN： 然后，对于未知浓度(x)的气体有： ACT表示未知气体中有源检测器的峰峰值输出。 REF表示未知气体中基准检测器的峰峰值输出。 T表示未知气体的温度，单位为K。 此方程假定TLOW = TCAL。 环境温度的影响 热电堆检测器通过吸收辐射来检测温度，但也会对环境温 度变化作出响应，导致杂散和干扰信号增加。由于这个原 因，很多热电堆都在封装内集成了热敏电阻。 辐射吸收与腔室中的目标分子数量有关，而非目标气体的 绝对百分比。因此，吸收采用标准大气压力下的理想气体 定律表述。 有必要同时记录校准状态和测量状态下的温度数据： 其中： x表示无温度补偿时的气体浓度。 TLOW表示低和高气体浓度时的温度，单位为K。 T表示采样时的温度，单位为K。 xT表示温度为T时的气体浓度。 理想气体定律下除了浓度会随温度而变之外，SPAN和FA 也会随温度而产生轻微变化，并且进行精度极高的浓度测 量时可能需要校正。 本电路笔记不涉及SPAN和FA温度校正；但是可以从SGX Sensortech(2 Hanbury Road，Chelmsford，UK)的应用笔记 1、应用笔记2、应用笔记3、应用笔记4和应用笔记5，以 及Alphasense Limited(Sensor Technology House，300 Avenue West，Skyline 120，Great Notley Essex，UK)的应用笔记 AAN-201、AAN-202、AAN-203、AAN-204和AAN-205中 获取详情。 热电堆驱动器 HTS-E21-F3.91/F4.26热电堆(Heimann Sensor，GmbH)的每 一条通道都配备了84 k内部电阻。热电偶其中一条通道的 驱动器等效电路如图7所示。内部84 k热电堆电阻和外部 8.2 nF电容组成RC低通噪声滤波器，−3 dB截止频率为： 改变不同热电堆的C11和C15也就改变了噪声性能和响应 时间。 
图7. 热电堆驱动器等效电路，G = 214.6 84 k/8.2 nF滤波器的22位阶跃函数建立时间约为： AD8629同相放大器增益设置为214.6，−3 dB截止频率为： 22位建立时间约为 NDIR最大斩波频率为5 Hz，因此半周期脉冲宽度最小值为 100 ms。22位建立时间约为0.1乘以最小斩波脉冲宽度。 AD8629的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为0.5 μV p-p。忽略传 感器电压噪声和AD8629电流噪声，则热电堆的1 mV p-p信 号输出具有如下信噪比(SNR)： 其中一个热电堆以伪差分输入方式连接ADuCM360 ADC1/ADC3对，第二个连接ADC2/ADC3对。ADC3输入 连接200 mV共模电压，由ADA4528-1低噪声放大器驱动。 ADA4528-1的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为99 nV p-p。若要使ADC输入引脚保持在0.1 V以上，则需使用200 mV共模 电压。 AD8629增益级为214.6，ADuCM360内部PGA增益通过软 件自动设定，范围为1至128，确保输入信号匹配ADC输 入的满量程范围(即±1.2 V)。来自热电堆的峰峰值信号范 围为几百微伏至几毫伏。例如，假设满量程热电堆信号为 1 mV p-p，则PGA增益4可产生860 mV p-p的ADC输入信号。 不同灵敏度的热电堆可能会要求AD8629级具有不同增益。 如需将CN-0338 Arduino屏蔽板与其它Arduino兼容型平台 对接，并且如果该平台采用的ADC没有内置PGA，则可能 需要更高的增益。 改变AD8629增益的最简单方法是改变R6和R10；这样不会 影响由R5/R8和C9/C10决定的主极点频率。 可通过软件选择热电堆输出数据处理算法。用户可以在峰 峰值算法和均值算法之间作出选择。 更多有关信号采集、灯脉冲定时以及温度补偿处理算法的 详细信息，请参阅CN-0338设计支持包中的CN-0338源代码和CN-0338用户指南。 NTC热敏电阻驱动器 热电堆中的集成式NTC温度传感器特性如下： 热敏电阻驱动器的戴维宁等效电路如图8所示。R3和R4分 压器电阻提供670.3 mV电压源，并与103.6 k电阻串联。 驱动电压为670.3 mV − 200 mV = 470.3 mV。 
图8. NTC热敏电阻驱动器等效电路 当RTH = 100 k时(25°C)，热敏电阻上的电压为231 mV，因 此测量时，将PGA增益设为4。 ADuCM360中的灵活输入多路复用器和双通道ADC支持热 电堆信号和温度传感器信号的同时采样，以补偿漂移。 红外光源驱动器 选用International Light Technologies MR3-1089作为灯丝光源，它具有抛光铝反射器，150 mA时所需驱动电压为5.0 V， 以便使红外辐射最大化，并获得最佳系统性能。来自灯的 热量使光反射器的温度保持在环境温度以上，有助于防止 潮湿环境中出现冷凝。 温度较低(关灯)时，灯丝灯具有较低的电阻，这使其在开 灯瞬间产生电流浪涌。带有软启动功能的调节器对于解决 这个问题很有用。 ADP7105低压差稳压器具有可编程使能引脚， 能与 ADuCM360的通用输入/输出引脚一同使用，从而使能/禁 用灯的电压。10 nF软启动电容C6具有12.2 ms的软启动时 间，这约等于100 ms最小斩波阶跃时间的0.125倍。 仔细确保灯的返回路径不会流经敏感的热电堆检测器接地 返回路径。灯的电流不可以使用和处理器一样的返回路 径，否则可能会产生电压失调误差。强烈建议针对灯的驱 动以及系统的信号调理部分采用单独的稳压器。 ADP7105灯驱动器直接采用连接EVAL-ADICUP360板的外 部电源供电。 软件考虑因素 同步斩波和采样 ADuCM360集成两个24位、-型ADC，这些ADC工作在 连续采样模式下。如需测量气体浓度，就必须对基准和有 源通道中的峰峰值信号值进行采样。ADC由可编程增益放 大器驱动，增益选项为1、2、4、8、16、32、64和128。 默认斩波频率设为0.25 Hz，默认采样速率设为10 Hz。但是， 可以在软件中设置斩波频率，设置范围为0.1 Hz至5 Hz； 还可以设置ADC采样速率，设置范围为3.5 Hz至483 Hz。 软件保证采样速率至少是斩波频率的30倍。 对于0.25 Hz的默认斩波频率而言，热电堆数据在2秒半周期 的最后1.5秒内以10 Hz速率获得，保证信号建立。忽略前 500 ms的数据(闪烁时间)。消隐时间也可以在软件中设置， 上升沿和下降沿均可。注意，NTC热敏电阻数据在消隐期 间获得。 校准程序： 理想比尔-朗伯方程 由于灯和热电堆的特性不同，刚开始以及改变热电堆或灯 时必须校准电路。 建议将整个组件放置在密封腔室中，并可向其中注入已知 浓度的二氧化碳气体，直到腔室中一切原有气体均被排 出。稳定数分钟后，便可开始进行测量。 理想比尔-朗伯方程的校准方式和算法如以下步骤所示： 输入下列命令： sbllcalibrate(标准比尔-朗伯校准)。 注入低浓度(xLOW)或零气体(氮气)，并让腔室稳定。 在终端输入二氧化碳浓度。 系统测量ACTLOW，它表示低浓度气体中有源检测器 系统测量REFLOW，它表示低浓度气体中基准检测器 系统测量低浓度气体的温度TLOW。 向腔室中注入浓度为xCAL的高浓度二氧化碳。 在终端输入二氧化碳浓度。 系统测量ACTCAL、REFCAL和校准温度TCAL。 系统计算ZERO和b值： 如需利用理想比尔-朗伯方程测量未知浓度的二氧化碳气 体，则请按下述步骤操作： 向腔室注入未知浓度气体并使其稳定。 测量ACT，它表示有源检测器的峰峰值输出。 测量REF，它表示基准检测器的峰峰值输出。 测量温度T，单位K。 使用校准后的ZERO值。 使用校准后的b值。 计算小数吸收： 计算浓度，应用理想气体定律下的温度补偿： 此步假定 TLOW = TCAL. 校准程序： 修正比尔-朗伯方程 如果通过测量得到了常数b和c的值，则使用下列步骤。 输入下列命令：mbllcalibrate (修正后的比尔-朗伯校准)。 输入b和c常数。 注入低浓度(xLOW)二氧化碳气体(氮气)，并让腔室稳 在终端输入二氧化碳浓度。 系统测量ACTLOW，它表示低浓度气体中有源检测器 系统测量REFLOW，它表示低浓度气体中基准检测器 系统测量温度TLOW。 向腔室中注入浓度为xCAL的高浓度二氧化碳。 在终端输入二氧化碳浓度。 系统测量ACTCAL、REFCAL和校准温度TCAL。 系统计算ZERO和SPAN： 如需利用修正后的比尔-朗伯方程测量未知浓度的二氧化碳 气体，则请按下述步骤操作： 向腔室注入未知浓度气体并使其稳定。 测量ACT，它表示有源检测器的峰峰值输出。 测量REF，它表示基准检测器的峰峰值输出。 测量温度T，单位K。 使用校准后的ZERO和SPAN值。 使用之前确定的b和c值。 计算小数吸收： 计算浓度，应用理想气体定律下的温度补偿： 此步假定 TLOW = TCAL. NTC热敏电阻算法与计算 NTC热敏电阻等效电路如图9所示。 
图9. NTC热敏电阻电路 热敏电阻上的电压为： 其中： VCC为3.3 V。 RNTC 表示热敏电阻值。 NTC热敏电阻值可以表示为： 其中： RTH表示温度为T0时的热敏电阻值。. β是NTC热敏电阻数据手册中的参数。 RNTC表示温度T时的热敏电阻值。 合并以上两个方程可得： 在每个灯的斩波时间间隔内，ADC切换至NTC采样，如图 10所示。 
图10. NTC和热电堆采样时序，以及灯的斩波 人机界面 该板用作虚拟COM器件，而默认的COM端口设置为： 115200 Hz、1个启动位、8个数据位、无奇偶校验位和2个 停止位。如果波特率设置不正确，则电路不响应。用户可 以通过按下EVAL-ADICUP360板上的RESET按钮，将波特 率复位至默认值。注意，EVAL-ADICUP360复位仅复位波 特率数值，CN-0338其它设置保持不变。如需将所有这些 参数复位至默认值，可以使用resetTodefault命令。 任意类型的串行端口终端均可与EVAL-ADICUP360板交 互，用于开发和调试。在本地设置终端或无回波类特性， 因为EVAL-ADICUP360回波返回来自PC的所有特性。 CN-0338软件使用ADuCM360的P0.1和P0.2端口作为UART 通信引脚。 根据连接PC的USB端口设置EVAL-ADICUP360跳线。请参 考EVAL-ADICUP360产品页面了解更多详情。 成功连接后，根据终端方向操作EVAL-CN0338-ARDZ板。 
图11. 典型CN-0338板的小数吸收与 二氧 化碳浓度的关系 EVAL-CN0338-ARDZ板的完整设计支持包包括布局文件、 物料清单、原理图和源代码， 请参阅: www.analog.com/CN0338-DesignSupport。 CN0338 NDIR基于热电堆的气体检测电路 图1中的电路是一个完整基于热电堆的气体传感器，利用了非分散红外(NDIR)原理。该电路针对CO2检测优化，而采用不同滤光器的热电堆之后亦可精确测量多种气体的浓度。 
图1. NDIR气体检测电路(简化原理图：未显示所有连接和去耦) 该电路板 (PCB) 采用 Arduino 屏蔽尺寸设计，并与EVAL-ADICUP360Arduino兼容型平台板对接。信号调理由AD8629和低噪声放大器ADA4528-1以及集成可编程增 益放大器、双通道24位Σ-型模数转换器(ADC)和ARM Cortex-M3处理器的精密模拟微控制器ADuCM360实现。 CN0338 cn0338
声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。 举报投诉
全部0条评论
快来发表一下你的评论吧 !
