現(xiàn)代社會(huì)需求發(fā)生了很大的變化，在氣體傳感器方面，也不能局限于僅考慮為社會(huì)貢獻(xiàn)安全·安心的氣體報(bào)警器而止步不前，應(yīng)當(dāng)擴(kuò)展成為構(gòu)建更加舒適的生活、創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展社會(huì)而建功立業(yè)的設(shè)備。TGS8100應(yīng)用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，使氣體傳感器在小型化與降耗節(jié)能方面成功實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，這不但讓從前難于設(shè)置氣體傳感器的小型設(shè)備有了應(yīng)用的可能，就是與英特網(wǎng)等信息通信技術(shù)聯(lián)系緊密的網(wǎng)絡(luò)，也實(shí)現(xiàn)了充分利用氣體傳感器技術(shù)的可能。用戶(hù)的創(chuàng)意與TGS8100的充分融合，一定可以滿(mǎn)足社會(huì)上各種各樣的應(yīng)用需求，對(duì)有利于創(chuàng)建舒適生活的新產(chǎn)品、新技術(shù)與服務(wù)將應(yīng)運(yùn)而生。

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路利用金屬氧化物傳感器檢測(cè)揮發(fā)性有機(jī)化合物組成的氣體，從而測(cè)量室內(nèi)空氣質(zhì)量。傳感器由加熱電阻和檢測(cè)電阻組成。當(dāng)加熱檢測(cè)電阻時(shí)，其值隨不同氣體的濃度而改變。

該電路利用12位電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來(lái)精密控制加熱器電流，靈活的軟件允許加熱器采用如下四種工作模式中的一種：恒流、恒壓、恒阻和恒溫。

通過(guò)軟件可選的五種范圍電阻分壓器，該電路能夠測(cè)量廣泛的檢測(cè)電阻值。電路板還包含溫度和濕度傳感器，用于補(bǔ)償氣體濃度值。

圖1.完整的單電源16位揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測(cè)器，采用金屬氧化物傳感器和12位電流輸出DAC（簡(jiǎn)化原理圖，未顯示所有連接和去耦）

電路描述

該電路針對(duì)Figaro TGS8100傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，傳感器由MOS檢測(cè)芯片和集成加熱器（利用MEMS技術(shù)形成于硅基板）構(gòu)成。適當(dāng)修改硬件和軟件，便可使用其他MOS傳感器。

測(cè)試是在氣體腔中利用一氧化碳完成。結(jié)果與傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格進(jìn)行了相關(guān)性分析。

加熱器驅(qū)動(dòng)器

ADN8810是一款12位電流源，可提供高達(dá)300 mA的可調(diào)輸出電流。滿(mǎn)量程電流通過(guò)兩個(gè)輸出檢測(cè)電阻設(shè)置。這些電阻的選擇和滿(mǎn)量程電流的設(shè)置對(duì)板上安裝的傳感器的設(shè)計(jì)規(guī)格非常重要。滿(mǎn)量程電流設(shè)置不得違反傳感器最大額定值，以免發(fā)生故障。

使用41.2 ?檢測(cè)電阻，電路板的滿(mǎn)量程電流設(shè)置為大約9.94 mA，這是TGS8100傳感器的安全上限，其推薦工作電流為8 mA。滿(mǎn)量程電流與檢測(cè)電阻值存在如下關(guān)系：

未進(jìn)行校準(zhǔn)的ADN8810的滿(mǎn)量程精度為1%。如果需要更高精度，可利用71.5 ?或10 ?精密電阻和P2跳線校準(zhǔn)滿(mǎn)量程電流輸出。

所有工作模式（恒流、恒壓、恒阻和恒溫）為了維持指定參數(shù)的值，都要控制流經(jīng)加熱電阻的電流量，并利用AD7988-1模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測(cè)量加熱器電壓。

加熱器電阻和加熱器溫度之間的關(guān)系

加熱器電阻RH_T與加熱器溫度TH之間的關(guān)系可通過(guò)下式來(lái)表示：

從TGS8100數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得如下標(biāo)稱(chēng)值：VH = 1.8 V，T_0 = 20℃時(shí)RH_0 = 110 Ω。T_H = 360℃時(shí)，RH_T = 225 Ω。然后代入并求解上式，得到常數(shù)ALPHA = 0.003074。

可以重新整理該式，求得TH與RH的函數(shù)關(guān)系：

ALPHA

設(shè)置模式值之前，先確定環(huán)境溫度T_A時(shí)的加熱器實(shí)際電阻RH_A。為確定此值，將8 mA電流施加于加熱器，并在施加電流后的20 μs內(nèi)測(cè)量加熱器電壓(VH_A)。此時(shí)，加熱器仍處于環(huán)境溫度。環(huán)境溫度時(shí)的加熱器電阻根據(jù)RH_A = VH_A/8 mA計(jì)算。同時(shí)記錄環(huán)境溫度T_A和濕度HUM。

前面的等式必須稍加修改，因?yàn)閷?shí)際環(huán)境溫度T_A可能不同于數(shù)據(jù)手冊(cè)值T_0 = 20℃。加上修正因子之后，兩個(gè)等式變?yōu)椋?/p>

加熱器工作模式

下面詳細(xì)說(shuō)明加熱器工作模式。

加熱器恒壓

加熱器恒壓模式是最常見(jiàn)的工作模式。TGS8100傳感器的推薦電壓為1.8 V ± 2%。一個(gè)迭代程序調(diào)整加熱器電流IH，直至測(cè)得的加熱器電壓為1.8 V，然后根據(jù)RH_T = VH/IH計(jì)算對(duì)應(yīng)的加熱器電阻RH_T。對(duì)應(yīng)的加熱器溫度可根據(jù)等式5計(jì)算。

加熱器恒流

所需加熱器電流IH在ADN8810DAC中設(shè)置。測(cè)量加熱器電壓VH。加熱器電阻根據(jù)RH_T = VH/IH計(jì)算。對(duì)應(yīng)的加熱器溫度根據(jù)等式5計(jì)算。

加熱器恒溫

對(duì)應(yīng)于所需加熱器溫度TH的加熱器電阻RH_T根據(jù)等式4計(jì)算。一個(gè)迭代程序調(diào)整加熱器電流IH，并測(cè)量加熱器電壓VH，直至達(dá)到所需的加熱器電阻VH/IH = RH_T。

加熱器恒阻

一個(gè)迭代程序調(diào)整加熱器電流IH，并測(cè)量加熱器電壓VH，直至達(dá)到所需的加熱器電阻VH/IH = RH_T。對(duì)應(yīng)的加熱器溫度根據(jù)等式5計(jì)算。

檢測(cè)電阻測(cè)量

傳感器檢測(cè)元件的電阻值可以通過(guò)下式確定：

其中：

RS為檢測(cè)元件的電阻。

VS為RS上的對(duì)地電壓。

RG為分壓器所用的范圍設(shè)置電阻。

VREF為基準(zhǔn)電壓值(4.096 V)。

為了覆蓋30 Ω至30 MΩ的RS范圍，利用低壓CMOS模擬多路復(fù)用器ADG758選擇五個(gè)RG電阻中的一個(gè)。該電路使用S1至S5通道，對(duì)應(yīng)的RG電阻值分別為8.87 kΩ、39.2 kΩ、110 kΩ、2.74 MΩ和33 MΩ。

利用分壓器中的RG電阻以及RS和VREF，現(xiàn)在便可通過(guò)等式6確定檢測(cè)電阻RS的值。

來(lái)自檢測(cè)電阻分壓器的輸出電壓被超低失調(diào)、漂移和偏置電流的運(yùn)算放大器AD8628放大2倍以匹配AD7988-1 ADC的輸入范圍。

AD7988-1是一款低功耗、100 kSPS 16位逐次逼近型ADC，用于轉(zhuǎn)換傳感器加熱和檢測(cè)元件的電壓讀數(shù)。

ADG884是一款軟件可選低壓CMOS雙通道單刀雙擲開(kāi)關(guān)，用于切換傳感器加熱和檢測(cè)元件的電壓讀數(shù)。

ADR4540是一款超低噪聲、低功耗基準(zhǔn)電壓源。它為ADN8810、AD7988-1和RG分壓器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高精度4.096 V基準(zhǔn)電壓，具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲，功耗最大值僅950 μA。

ADP196是一款邏輯控制的高端功率開(kāi)關(guān)，可通過(guò)ADICUP360的數(shù)字輸入/輸出引腳完全關(guān)斷整個(gè)電路，將電路功耗降至400 μW。此特性利用數(shù)字輸入/輸出引腳實(shí)現(xiàn)電路板關(guān)斷功能，使其成為出色的低功耗候選解決方案。

ADP124是一款低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器，用于提供AD7798-1的2.5 V電源電壓。

該電路還在集成了板載Sensirion SHT30溫度和濕度傳感器，用于補(bǔ)償氣體濃度計(jì)算。

這些IC的組合為室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供了一種低功耗解決方案。

傳感器電阻轉(zhuǎn)換為氣體濃度

TGS8100傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)給出了濃度與RS/R0的典型關(guān)系曲線，其中R0為無(wú)氣體存在時(shí)的監(jiān)測(cè)電阻值。一氧化碳?xì)怏w(CO)的曲線可通過(guò)兩個(gè)等式近似求得，取決于RS/R0比值。這些等式適用于1 ppm到100 ppm的CO濃度水平。

RS/R0介于0.05和0.6之間時(shí)：

加熱器控制軟件

CN-0395的演示軟件顯示了加熱器在T_0或干凈空氣工作模式下的檢測(cè)電阻讀數(shù)，用于計(jì)算的電流檢測(cè)電阻讀數(shù)，以及算出的氣體濃度。

加熱器有四種工作模式：恒壓、恒流、恒阻和恒溫。

在恒壓模式下，假設(shè)加熱器初始電阻為225 ?，通過(guò)計(jì)算誤差電壓并相應(yīng)地調(diào)整輸出電流來(lái)將所需加熱器電壓維持在0.5%精度。

如果誤差不在指定容差范圍內(nèi)，則需將新的加熱器電流設(shè)置到ADN8810中。新的加熱器電流通過(guò)下式計(jì)算：

其中：

IH2為第二次迭代的加熱器電流。

IH1為第一次迭代的加熱器電流。

E1為第一次迭代的電壓誤差。

可能需要多次迭代才能使其落在所需電壓范圍內(nèi)，但若誤差在0.5%以?xún)?nèi)，則迭代結(jié)束。

傳感器電阻測(cè)量軟件

軟件利用等式6測(cè)量傳感器電阻RS。算法逐個(gè)嘗試增益電阻范圍，從最高范圍(RG1 = 33 M?)開(kāi)始，直至達(dá)到正確范圍。確定RS之后，利用下一部分給出的等式將其轉(zhuǎn)換為氣體濃度。

測(cè)試結(jié)果

該電路在暴露于各種不同濃度CO氣體的氣體測(cè)試容器中進(jìn)行了測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)不同濃度，一氧化碳按一定的比率與合成空氣混合。氣體混合物經(jīng)過(guò)一個(gè)加濕器，凈化后以1 ln/min的恒定速率通往氣體測(cè)試容器，如圖2所示。

圖2.氣體測(cè)試設(shè)置

對(duì)于測(cè)試設(shè)置，RS/R0與氣體濃度結(jié)果的關(guān)系如圖3中藍(lán)色曲線所示。紅色曲線顯示的是利用等式7和等式8近似計(jì)算所預(yù)測(cè)的典型濃度值。100 ppm時(shí)RS/R0的差約為25%。

圖3.實(shí)測(cè)RS/R0比值與CO氣體濃度的關(guān)系

為了獲得更精確的濃度結(jié)果，應(yīng)利用已知濃度的目標(biāo)氣體在一個(gè)腔中校準(zhǔn)系統(tǒng)。傳感器差異、接觸雜質(zhì)引起的傳感器污染、老化效應(yīng)、溫度、相對(duì)濕度、穩(wěn)定時(shí)間和合成混合空氣的純度，都會(huì)影響最終結(jié)果。

獲得一致結(jié)果的重要條件是讓傳感器在環(huán)境空氣中穩(wěn)定至少30分鐘，并且先給加熱器通電，再測(cè)量R0。在每種濃度水平下，必須同樣給予充足的穩(wěn)定時(shí)間。對(duì)于圖3所示結(jié)果，R0穩(wěn)定時(shí)間為1小時(shí)，每種濃度水平下的穩(wěn)定時(shí)間為10分鐘。延長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間可能會(huì)提高精度。

電路板布局考量

應(yīng)當(dāng)精心考慮電路板上的電源和接地回路布局。印刷電路設(shè)計(jì)必須將模擬部分與數(shù)字部分分離。如果該電路所在系統(tǒng)有多個(gè)器件要求模擬地至數(shù)字地連接，則只能在一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行連接。通過(guò)至少0.1 μF電容旁路所有器件的電源。這些旁路電容必須盡可能靠近器件，電容最好正對(duì)著器件。所選0.1 μF電容應(yīng)當(dāng)具有低有效串聯(lián)電阻(ESR)和低有效串聯(lián)電感(ESL)，例如陶瓷型電容。0.1 μF電容為瞬變電流提供低阻抗接地路徑。電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗供電路徑。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)（請(qǐng)參考教程MT-031——實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)和教程MT-101——去耦技術(shù)）。

如需獲得包括原理圖、布局布線和物料清單在內(nèi)的EVAL-CN0395-ARDZ完整文檔，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/CN0395-DesignSupport

常見(jiàn)變化

權(quán)衡復(fù)雜性和成本，可以用DAC控制的電流源取代ADN8810。

如需更高分辨率ADC，請(qǐng)使用AD7989-1。如需更高采樣速率ADC，請(qǐng)使用AD7988-5或AD7989-5。

8:1多路復(fù)用器的另一個(gè)較佳選擇是ADG5208F，其增加了防閂鎖、過(guò)壓檢測(cè)和過(guò)壓保護(hù)特性。

電路評(píng)估與測(cè)試

本電路使用EVAL-CN0395-ARDZ電路板和EVAL-ADICUP360。EVAL-CN0395-ARDZ利用Arduino兼容引腳疊加在EVAL-ADICUP360板上。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

帶USB端口的Windows 7（64位）、Windows 8（64位）或Windows 10（64位）PC

EVAL-CN0395-ARDZ電路評(píng)估板

EVAL-ADICUP360評(píng)估板或等效Arduino接口

USB A轉(zhuǎn)USB微型電纜

EVAL-ADICUP360軟件(IDE)

EVAL-CN0395-ARDZ示例代碼

開(kāi)始使用

將示例代碼載入EVAL-ADICUP360 IDE，請(qǐng)按照EVAL-ADICUP360工具鏈設(shè)置用戶(hù)指南中的說(shuō)明操作。

功能框圖

圖4所示為測(cè)試設(shè)置的功能框圖。

圖4.測(cè)試設(shè)置功能框圖

設(shè)置

連接EVAL-CN0395-ARDZ，利用Arduino兼容接頭和對(duì)應(yīng)接頭將其安裝在EVAL-ADICUP360板上方。然后將USB電纜從EVAL-ADICUP360的調(diào)試端口連接到PC的USB端口。

測(cè)試

示例代碼經(jīng)編譯并加載到EVAL-ADICUP360上且將EVAL-CN0395-ARDZ安裝在上面之后，器件與PC通信并顯示各通道的讀數(shù)。為測(cè)試該電路，可將電路板暴露在干凈空氣中以獲得初始讀數(shù)，然后暴露在不同濃度的揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體中。

圖5顯示EVAL-CN0395-ARDZ電路評(píng)估板的實(shí)物照片。

圖5.EVAL-CN0395-ARDZ電路評(píng)估板

編輯：fqj