Micro GC的低功耗數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)*

劉鴻飛 陳 忠

(廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院 廈門 361005)

氣相色譜法是現(xiàn)代化學(xué)組分分析的主要手段之一,在藥物分析、農(nóng)藥殘留分析、環(huán)境分析、食品分析、石油和石化分析和化工產(chǎn)品及高聚物分析等多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用[1-2].微型氣相色譜儀(micro gas chromatography,micro GC)體積小、功耗低、分析速度快、檢測靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬,得到了現(xiàn)場測試界的廣泛青睞,是GC發(fā)展的重要方向之一[3-4].Agilent 3000+是micro GC的典型代表之一,應(yīng)用Agilent專利技術(shù)——多比例低噪聲 ADC[5],取得了極大的成功.但是,在使用過程中,其核心部件——比較器功耗過大,導(dǎo)致在室溫環(huán)境下,其溫度高達(dá)108℃,而其額定工作溫度僅為85℃,嚴(yán)重地威脅到micro GC的可靠性和無故障使用壽命[6].另外,由于ADC不對稱的輸入范圍,限制了 Agilent 3000+在某些化學(xué)分析上的應(yīng)用.

1 Micro GC的數(shù)據(jù)采集電路需求分析

Micro GC現(xiàn)用數(shù)據(jù)采集電路如圖1所示,載氣和樣品氣分別經(jīng)過樣品分離柱中輸出,流經(jīng)TCD的加熱池,TCD的加熱絲與置于電路板上的精密電路、運(yùn)放等構(gòu)成恒絲溫電路(constant temperature circuit,CTC),樣品氣通路與載氣通路上所有的元器件參數(shù)均盡量保持一致,可一次消除分離柱、TCD、電路帶來的誤差[7-8].由圖1可見,CTC電路輸出信號的電壓范圍為-3～10 V,經(jīng)過差分放大電路后,以單端信號輸出,單端信號的電壓范圍為-4～1.5 V,單端信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行數(shù)字化[9].

圖1 Micro GC的信號鏈路

Micro GC對數(shù)據(jù)采集電路的要求主要為:(1)有效位深度[10]大于 20.3 b;(2)支持?jǐn)[幅-3～10 V的信號輸入;(3)采樣率不低于200 Hz;(4)非線性誤差小于1%.Agilent 3000+現(xiàn)用數(shù)據(jù)采集方案如圖 2所示,載氣和樣品氣的TCD工作在 CTC狀態(tài)下,其輸出信號送往由AD8674的3個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器,儀表放大器輸出的單端信號,輸入到安捷倫2002年發(fā)明的多比例雙斜積分ADC,該ADC可以轉(zhuǎn)換雙極性的模擬輸入信號,且具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力,在micro GC應(yīng)用中取得了極大的成功,至今代表了國際的最高水平.

圖2 Agilent 3000+現(xiàn)用數(shù)據(jù)采集方案示意圖

2 低功耗、低噪聲數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

2.1 低功耗ADC的應(yīng)用設(shè)計(jì)

ADC是micro GC數(shù)據(jù)采集電路的核心部件,與micro GC動(dòng)態(tài)范圍、最低檢測限等關(guān)鍵參數(shù)密切相關(guān).如前所述,ADC須提供高達(dá)20.3 b的有效分辨率,能提供18 b以上有效分辨率的ADC,一 般 都 是采 用 Δ-Σ 調(diào) 制 技 術(shù)[11-12].ADS1255是TI公司推出的一款低功耗、低噪聲、24 b Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器.其噪聲低至0.63μV,功耗為38 mW,正常工作時(shí),自身發(fā)熱導(dǎo)致的溫度升高僅4.3℃,可以滿足在micro GC的應(yīng)用.

本文采用了ADI公司生產(chǎn)的低噪聲2.5 V電壓參考——ADR431,ADR431具有業(yè)界最佳性能:3.5μV的峰峰噪聲,3 ppm/℃的溫度漂移.為了降低ADC工作充放電對參考電壓帶來的沖擊,增加了一個(gè)跟隨電路,以增大電壓參考得驅(qū)動(dòng)能力.具體設(shè)計(jì)見圖3所示.

圖3 超低噪聲參考電壓電路設(shè)計(jì)

2.2 ADC前端驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

對比CTC差分電路的輸出和ADS1255的輸入,可以發(fā)現(xiàn),CTC差分電路的輸出為-4～1.5 V單端信號,而ADS1255的單端輸入模式,只支持0～+5 V,差分輸入支持-5～+5 V,所以ADS1255并不適合CTC差分電路的輸出,需要設(shè)計(jì)一個(gè)差分輸入、差分輸出(全差分)放大電路作為ADC前端驅(qū)動(dòng)電路,以調(diào)理CTC電路的輸出信號和驅(qū)動(dòng)ADS1255.文中設(shè)計(jì)了一款高共模電壓全差分放大電路,見圖4所示.

圖4 高共模電壓全差分輸出電路

從電路中可以看出,ADC前端驅(qū)動(dòng)實(shí)際上是由兩個(gè)差分輸入單端輸出放大電路組成,整個(gè)全差分放大電路的傳輸函數(shù)為

圖4中,全差分放大電路的上下兩側(cè)的電路完全對稱,因此,可以計(jì)算單側(cè)的噪聲,再進(jìn)行加權(quán)平均,既可得到輸入電路的噪聲.考慮到熱噪聲、電流噪聲、電壓噪聲等綜合噪聲因素,建立起單側(cè)輸入電路的噪聲模型,如圖5所示.

圖5 ADC前端驅(qū)動(dòng)單側(cè)電路的噪聲模型

包括噪聲的系統(tǒng)傳輸函數(shù)為

根據(jù)傳輸函數(shù),可以計(jì)算出噪聲功率為

根據(jù)上述噪聲功率公式,可以計(jì)算出每個(gè)噪聲源的貢獻(xiàn)和整個(gè)輸入電路的噪聲幅度,其中電阻熱噪聲功率為即每1 kΩ電阻在1 Hz帶寬內(nèi)的噪聲值為.總體噪聲的詳細(xì)計(jì)算,ADC前端驅(qū)動(dòng)單側(cè)電路的噪聲N1為145.76 nV,則整個(gè)前端驅(qū)動(dòng)電路的噪聲N為

從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上來看,這個(gè)噪聲水平是比較低的,而且 micro GC的信號帶寬非常低,在10 Hz,因此,輸入電路對系統(tǒng)噪聲的影響比較有限.另外,從噪聲的貢獻(xiàn)源來,電阻熱噪聲是主要貢獻(xiàn)者,因此還可以通過降低反饋電阻等,來進(jìn)一步降低電路噪聲.

3 低功耗數(shù)據(jù)采集電路的性能測試與評價(jià)

3.1 功耗與溫度測試

采用一臺(tái)Agilent 34970A多通道數(shù)據(jù)采集儀和若干K型熱電偶來采集各元器件的表面工作溫度,熱電偶測溫端用導(dǎo)熱膠粘在器件表面,進(jìn)行溫度測量.根據(jù)實(shí)際測試,數(shù)據(jù)采集電路的總功耗由9.5 W降低到5.8 W,從而降低了發(fā)熱源,而數(shù)據(jù)采集電路全部置于屏蔽盒里面,因此使得屏蔽盒內(nèi)的環(huán)境溫度下降了11.7℃.由于屏蔽盒內(nèi)的環(huán)境溫度降低,各元器件的工作溫度都降低,各重要元器件的溫度實(shí)際測量值如表1所列,各個(gè)元器件的工作溫度全部在其額定工作溫度范圍內(nèi),從而提高了系統(tǒng)的可靠性.

表1 兩種數(shù)據(jù)采集電路中各重要元器件的溫度值

3.2 噪聲性能測試

對文中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行噪聲測試,結(jié)果如表2所列.

表2 100 Hz采樣率下的數(shù)據(jù)采集電路噪聲測試結(jié)果

當(dāng)采樣率為50 Hz時(shí),ADC噪聲為0.87 μV,數(shù)據(jù)采集電路的噪聲為1.24μV,系統(tǒng)總噪聲為2.76μV,測試結(jié)果表明,新設(shè)計(jì)的低功耗數(shù)據(jù)采集電路可以滿足micro GC的功能需求,不會(huì)降低micro GC的性能指標(biāo).實(shí)際色譜測量時(shí),色譜信號帶寬一般在10 Hz以內(nèi),即采樣率還可以進(jìn)一步降低至30 Hz左右,因此,相應(yīng)噪聲將進(jìn)一步降低.

4 結(jié) 束 語

從文中的測試結(jié)果可以看出,通過應(yīng)用低功耗數(shù)據(jù)采集電路后,相關(guān)重要部件的工作溫度已經(jīng)在額定工作范圍內(nèi),但是還是相對較高,有的已經(jīng)接近其工作溫度,如果環(huán)境溫度升高50℃,個(gè)別元器件的工作溫度將達(dá)到或超過其額定工作溫度,可以設(shè)法進(jìn)一步降低屏蔽盒內(nèi)各元器件的消耗功率,以降低屏蔽盒內(nèi)溫度.從功率分布圖來看,ADS7809,AD817,OPA 4227的消耗功率偏大,可以考慮用低功耗的同類產(chǎn)品替代.

致謝 感謝安捷倫科技(上海)有限公司的曹德祥、宋偉晾、葛文逸等在micro GC的研制工作中的幫助與指導(dǎo).

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