全自动自校准电导率测量系统

于测量液体的离子含量、水质分析、工业质量控制以及化学分析。

经过仔细选择的精密信号调理元件组合可在0.1 µS至10 S（10 M?至0.1 ?）电导率范围内提供优于0.3%的精度，且无需校准。

针对100 ?或1000 ?铂（Pt）电阻温度传感器（RTD）提供自动检测功能，允许以室温为参考测量电导率。

系统支持双线式或四线式电导池以及双线式、三线式或四线式RTD，以提高精度和灵活性。

该电路能以极小的直流失调产生精确交流激励电压，从而避免电导电极上的极化电压造成损害。用户可编程控制交流激励信号的幅度和频率。

创新的同步采样技术可将激励电压和电流的峰峰值幅度转化为直流值，这样不仅提升了精度，同时简化了内置于精密模拟微控制器的双通道24位Σ-Δ型ADC对于信号的处理。

采用LCD显示器和编码器按钮实现直观的用户界面。该电路可以按需使用RS-485接口实现与PC的通信，并采用4 V至7 V单电源供电。

电导池的激励方波通过使用ADuCM360 微控制器的PWM输出在+VEXC和−VEXC电压之间切换ADG1419产生。方波必须具有精确的50%占空比和极低的直流失调电压。哪怕很小的直流失调电压都会在一段时间之后损坏电导池。

图3.高性能电导率测量系统（原理示意图：未显示所有连接和去耦）。

+VEXC和−VEXC电压由ADA4077-2运算放大器（U9A和U9B）产生，这两个电压的幅度由ADuCM360的DAC输出控制，如图4所示。

图4.激励电压源。

ADA4077-2的失调电压典型值为15 µV（A级），偏置电流为0.4 nA，失调电流为0.1 nA，输出电流最高为±10 mA，压差低于1.2 V。U9A运算放大器的闭环增益为8.33，可将ADuCM360的内部DAC输出（0 V至1.2 V）转换为0 V至10 V范围的+VEXC电压。U9B运算放大器反转+VEXC，产生−VEXC电压。选择R22，使得R22 = R24||R27，以便消除一阶偏置电流。由U9A的15 µV失调电压产生的误差约为（2 × 15 µV） ÷ 10 V = 3 ppm。因此，反相级产生的主要误差是R24和R27之间的电阻匹配误差。

ADG1419是一个2.1 ?导通电阻单刀双掷模拟开关，在±10 V范围内的导通电阻平坦度为50 m?，非常适合从±EXC电压产生对称方波信号。ADG1419导致的对称误差通常为50 m? ÷1 k? = 50 ppm。电阻R23将通过传感器的最大电流限制为10 V/1 k? = 10 mA。

施加到电导池上的电压V1采用AD8253仪表放大器（U15）进行测量。U15正输入由ADA4000-1 （U14）缓冲。选择ADA4000-1是因为它具有5 pA低偏置电流，可最大幅减少低电导率相关的低电流测量误差。AD8253的负输入不需要缓冲。

同步采样级可以消除U14和U15的失调电压，从而不影响测量精度。

U15和U18采用AD8253 10 MHz、20 V/µs、可编程增益（G = 1、10、100、1000）仪表放大器，增益误差低于0.04%。AD8253压摆率为20 V/µs，0.001%建立时间为1.8 µs（G = 1000）。其共模抑制典型值为120 dB。

U19 （ADA4627-1）级是一个精密电流-电压转换器，可将流过传感器的电流转换为电压。ADA4627-1失调电压为120 µV（典型值，A级），偏置电流为1 pA（典型值），压摆率为40 V/µs，0.01%建立时间为550 ns。这款器件的低偏置电流和低失调电压性能使其成为该级的理想选择。120 µV失调误差产生的对称误差仅为120 µV/10 V = 12 ppm。

U22A和U22B（AD8542）缓冲器分别为U18和U15仪表放大器提供1.65 V基准电压。

下面介绍电压通道信号路径上的其余器件（U17A、U17B、U10、U13、U12A和U12B）。电流通道（U17C、U17D、U16、U21、U20A和U20B）的工作情况相同。

ADuCM360能产生PWM0方波开关信号以供ADG1419开关使用，并且还能产生PWM1和PWM2同步信号供同步采样级使用。电导池的电压和三个时序波形如图5所示。

图5.电导池电压和采样保持时序信号。

AD8253仪表放大器（U15）输出驱动两个并行的采样保持电路；这两个电路由ADG1211开关（U17A/U17B）、串联电阻（R34/R36）、保持电容（C50/C73）以及单位增益缓冲器（U10/U13）组成。

ADG1211是一个低电荷注入、四通道单刀单掷模拟开关，工作电源电压为±15 V，输入信号最高可达±10 V。开关导致的最大电荷注入为4 pC，产生的电压误差仅为4 pC ÷ 4.7 µF = 0.9 µV。

PWM1信号使U10采样保持缓冲器可在传感器电压的负周期采样，然后保持直至下一个采样周期。因此，U10采样保持缓冲器输出等于传感器电压方波负幅值对应的直流电平