基于AD7792的pH在线监测传感器采集电路设计
在ph值在线测量中，电位分析法是实现在线监测和过程监控的唯一方法，该方法所用的电极被称为原电池，使化学反应能量转成为电能。原电池由两个半电池构成，其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关;另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是与测量溶液相通，并且与测量仪表相连。原电池的电压称为电动势（emf），根据能斯特方程，ph值与电动势e之间的关系如下：
式（1）和式（2）中，ah+为水溶液中氢离子活度;r为气体常数;f为法拉第常数;t为绝对温度，e0为标准电极电位。
从式（1）和式（2）可以看出，ph值计算时的斜率与温度t成线性关系，因此必须对方程中的斜率进行补偿。此外，由于ph测量电极上产生的电动势较小，最大只有几百mv，因此对于ph值在线监测传感器，在设计信号放大和采集电路时，必须考虑放大电路随时间和温度的漂移对ph值的影响，以获得精确且结果可重复的ph值。
电路设计 dh测量系统原理框图 一般ph测量系统包括ph电极、信号放大电路、a/d采集电路、微控制器和通信接口，如图1所示。ph电极产生的电动势信号经过缓冲和增益放大后进入a/d芯片进行模数转换，同时传感器输出的温度信号也送入到a/d芯片进行转换，mcu对采集到的ph信号进行滤波和温度补偿，计算出ph值，然后通过rs485接口送到远程控制主机，同时也可通过v/i电路转换成4～20ma的电流信号。
图1测量系统原理框图
如图1所示，要设计一套精确、稳定的ph在线测量系统，首先要减小温度对信号处理和信号采集电路的影响，这就对处理电路和采集电路提出了更高的要求。
信号放大电路设计 由于ph电极具有较大的输出电阻，要实现精确的ph测量，作为缓冲器的前级，应选用低偏置电流的放大器。经过低漏电流缓冲级后，信号再提供给增益放大级，以实现更高的分辨率。为此，在电路设计中选择adi公司的ada4505-2芯片作放大器，设计的电路如图2所示。该芯片是双通道微功耗放大器，具有较低的输入偏置电流（典型值0.5pa）和出色的psrr和cmrr性能，其典型失调电压为500μv，0.1～10hz内具有2.95μv的低峰峰值电压噪声，满足电路中作为缓冲器和放大器的要求。此外，该芯片在0～50℃范围内具有较低的失调漂移和偏置电流，对提升电路的温度稳定性具有重要作用。
图2ph信号放大电路
信号采集和温度测量电路 在ph仪表的多数应用中只需要提供3位的分辨率，因此采用16位的∑-△adc即可满足要求，考虑到ph测量对低噪声和低温漂的要求，采用adi公司的ad7792作为a/d转换芯片，该芯片内部结构如图3所示。如需更高的采集精度，可采用20位的转换芯片ad7793，其结构原理和引脚功能与ad7792完全相同。
图3ad7792内部结构图
ad7792含有3个差分模拟输入，集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号。当增益设置为64，更新速率为4.17hz时，均方根噪声为40nv。芯片内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，也可采用一个外部差分基准电压源。此外，芯片还内置了两个完全匹配的可编程电流源，适合作rtd温度测量，以便对ph测量作温度补偿。温度测量电路如图4所示。
图4rtdd测量电路
利用ad7792两个完全匹配的电流源，可以实现最佳的三线式rtd配置。在图4中，如果只使用一路电流，引线电阻将产生误差，由于激励电流流经rl1，将在ain1+引脚和ain1-引脚之间产生电压误差。如采用三线式配置，第2个rtd电流源可用于补偿因激励电流流经rl所产生的误差。当图中rl1和rl2相等，iout1与iout2匹配，第2个rtd电流流经rl2后，rl2的误差电压与rl1的误差电压相等，且ain1+引脚和ain1-引脚之间无误差电压。虽然在rl3上产生了两倍电压，但由于所产生的电压为共模电压因此，不存在电压误差，温度测量精度高。
ad7792可以采用内部时钟或外部时钟工作，输出数据速率可通过软件编程设置，在4.17～470hz范围内选择。
软件采集流程 mcu的主要功能是完成对ph信号、温度信号的采集和软件滤波，根据采集的温度信号，自动补偿和修正式（1）中的s斜率，计算出待测溶液的ph值，并根据需要转换成4～20ma的电流信号或通过rs485总线传送到主控计算机。其主要软件流程框图如图5所示。
图5软件流程图
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式（1）和式（2）中，ah+为水溶液中氢离子活度;r为气体常数;f为法拉第常数;t为绝对温度，e0为标准电极电位。
从式（1）和式（2）可以看出，ph值计算时的斜率与温度t成线性关系，因此必须对方程中的斜率进行补偿。此外，由于ph测量电极上产生的电动势较小，最大只有几百mv，因此对于ph值在线监测传感器，在设计信号放大和采集电路时，必须考虑放大电路随时间和温度的漂移对ph值的影响，以获得精确且结果可重复的ph值。
电路设计 dh测量系统原理框图 一般ph测量系统包括ph电极、信号放大电路、a/d采集电路、微控制器和通信接口，如图1所示。ph电极产生的电动势信号经过缓冲和增益放大后进入a/d芯片进行模数转换，同时传感器输出的温度信号也送入到a/d芯片进行转换，mcu对采集到的ph信号进行滤波和温度补偿，计算出ph值，然后通过rs485接口送到远程控制主机，同时也可通过v/i电路转换成4～20ma的电流信号。
图1测量系统原理框图
如图1所示，要设计一套精确、稳定的ph在线测量系统，首先要减小温度对信号处理和信号采集电路的影响，这就对处理电路和采集电路提出了更高的要求。
信号放大电路设计 由于ph电极具有较大的输出电阻，要实现精确的ph测量，作为缓冲器的前级，应选用低偏置电流的放大器。经过低漏电流缓冲级后，信号再提供给增益放大级，以实现更高的分辨率。为此，在电路设计中选择adi公司的ada4505-2芯片作放大器，设计的电路如图2所示。该芯片是双通道微功耗放大器，具有较低的输入偏置电流（典型值0.5pa）和出色的psrr和cmrr性能，其典型失调电压为500μv，0.1～10hz内具有2.95μv的低峰峰值电压噪声，满足电路中作为缓冲器和放大器的要求。此外，该芯片在0～50℃范围内具有较低的失调漂移和偏置电流，对提升电路的温度稳定性具有重要作用。
图2ph信号放大电路
信号采集和温度测量电路 在ph仪表的多数应用中只需要提供3位的分辨率，因此采用16位的∑-△adc即可满足要求，考虑到ph测量对低噪声和低温漂的要求，采用adi公司的ad7792作为a/d转换芯片，该芯片内部结构如图3所示。如需更高的采集精度，可采用20位的转换芯片ad7793，其结构原理和引脚功能与ad7792完全相同。
图3ad7792内部结构图
ad7792含有3个差分模拟输入，集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号。当增益设置为64，更新速率为4.17hz时，均方根噪声为40nv。芯片内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，也可采用一个外部差分基准电压源。此外，芯片还内置了两个完全匹配的可编程电流源，适合作rtd温度测量，以便对ph测量作温度补偿。温度测量电路如图4所示。
图4rtdd测量电路
利用ad7792两个完全匹配的电流源，可以实现最佳的三线式rtd配置。在图4中，如果只使用一路电流，引线电阻将产生误差，由于激励电流流经rl1，将在ain1+引脚和ain1-引脚之间产生电压误差。如采用三线式配置，第2个rtd电流源可用于补偿因激励电流流经rl所产生的误差。当图中rl1和rl2相等，iout1与iout2匹配，第2个rtd电流流经rl2后，rl2的误差电压与rl1的误差电压相等，且ain1+引脚和ain1-引脚之间无误差电压。虽然在rl3上产生了两倍电压，但由于所产生的电压为共模电压因此，不存在电压误差，温度测量精度高。
ad7792可以采用内部时钟或外部时钟工作，输出数据速率可通过软件编程设置，在4.17～470hz范围内选择。
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