基于AD7792的pH在线监测传感器采集电路设计

摘要 温度是影响pH值在线测量精度和长期稳定性的重要因素之一，因此在采集电路中设计温漂低、稳定性高的前级处理电路和高精度的A/D采集电路至关重要。文中采用ADI公司最新生产的低偏置电流、低失调漂移放大器ADA4505和高精度ADC芯片AD7792，设计的pH值测量电路，分辨率高、稳定性好、结构简单、功耗低，实验结果表明，该方案能在10～60℃范围内保持较高的测量精度。

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。

1 低温漂放大和采集电路设计

1.1 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4～20 mA的电流信号。

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。

1.2 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0.5 pA)和出色的PSRR和CMRR性能，其典型失调电压为500μV，0.1～10 Hz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。

1.3 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。

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4.17 Hz时，均方根噪声为40 nV。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。

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4.17～470 Hz范围内选择。

2 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4～20 mA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。

3 pH测试实验结果

在利用该方