本文討論向系統(tǒng)添加高精度隔離。這對于監(jiān)測遠離系統(tǒng)的水pH值、監(jiān)測不同的接地電平或在發(fā)生錯誤時保護系統(tǒng)不受高壓影響至關重要。

pH值衡量水溶液的酸堿度。它是一個無單位數(shù)字，并根據(jù)下式定義為氫離子活性的負常用對數(shù)：

pH = –log10 a(H+)(1)

純水的pH值定義為7，而酸的pH值小于7，堿的pH值大于7。根據(jù)pH值改變顏色的所謂的指示器通常用于測量pH值。但是，此測量值只是粗略估計值。圖1中所示的電路旨在用于評估復合玻璃電極。0至14的pH值范圍具有0.5%的精度，并且進行了溫度補償。該電路支持各種pH傳感器，可具有1 MΩ至幾GΩ的高阻抗值。

圖1. 具有復合電極的pH傳感器電路(簡化)。

pH電極

pH探針由一個測量電極和一個參考電極構成，類似于一塊電池。如果將探針浸入測試溶液，則測量電極根據(jù)氫離子活性產(chǎn)生電壓。25°C時，單位pH值的典型輸出值為59.14 mV。由于與溫度具有相關性，此值可增加至70 mV/pH。將此電壓與參考電極進行比較。如果測試溶液為酸性(低pH值)，則探針輸出端的電位大于0;如果是堿性溶液，則小于0。輸出值可使用下式計算：

(2)

其中：

E為探針的輸出電壓。

E0為標準電極電位(通常為0 V)，具體取決于探針。R為普適氣體常數(shù)。R = 8.31447 J mol−1 K−1。

T表示溫度(K)。

n為轉移電子數(shù)(或等效數(shù))。F為法拉第常數(shù)。F = 96485.34 C mol−1。

pH為未知溶液的氫離子濃度。pHREF = 7，參考電極的基準值。

電路

電路的三個主要元件是探針的緩沖器、ADC和具有電壓傳輸功能的隔離器。選擇緩沖運算放大器AD8603的原因是它具有低功耗、低噪聲和極低輸入偏置電流。200 fA典型低輸入偏置電流可確保由于電流流過探頭的內部電阻而產(chǎn)生的壓降被最小化。另一個重要元件是ADC，此處用AD7793表示，是具有集成電源和可編程放大器的24位∑-Δ轉換器。集成電流源產(chǎn)生流經(jīng)Pt1000的電流。借此進行在處理器中進行補償所需的溫度測量。此電流還流經(jīng)5 kΩ電阻(0.1%容差)，由此產(chǎn)生1.05 V基準電壓。作為第二個功能，電阻提升了共模電壓。通過這種方式及通過選擇基準電壓，ADC的輸入范圍得到充分利用：探針輸出±414 mV——最大±490 mV。隔離器為ADuM5411，即同時提供ADC的SPI接口隔離的隔離式DC-DC轉換器。

電路特性

為了實現(xiàn)高精度，選擇了典型輸入偏置電流為200 fA的運算放大器，這樣，在探針阻抗為1 GΩ時，最大失調電壓達0.2 mV。這相當于25°C時pH值的誤差為0.0037個單位。即使最大輸入偏置電流為1 pA，在1 mV時，最大偏置誤差也很小。為了不放棄這個好的開始，建議通過使用保護環(huán)、屏蔽及其他不受低電流影響的技術進行合適的布局測量。在選定數(shù)據(jù)速率為16.7 Hz，增益為1時，ADC產(chǎn)生的噪聲約為2 µV rms。如果使用13 µV峰峰值噪聲進行計算，則pH值的精度為0.00022個單位的pH值。如果將放大器的噪聲和ADC的噪聲加在一起，將產(chǎn)生0.00053個單位的pH值，因此，偏置誤差更大。