一款多通道水質(zhì)檢測芯片設(shè)計(jì)

唐守龍

(南京天鴻辰芯電子科技有限公司,江蘇 南京 210012)

引言

隨著人民生活水平的日益提高，飲用水質(zhì)量越來越受到廣泛重視，尤其是非常關(guān)注水中的重金屬含量、水的硬度、農(nóng)藥殘留物等指標(biāo)，若這些指標(biāo)含量過高，長久飲用，會(huì)嚴(yán)重危害身體健康。

水質(zhì)檢測傳統(tǒng)方法是采用專業(yè)檢測設(shè)備，這類設(shè)備一般體積大而且笨重，都需要在實(shí)驗(yàn)室里完成檢測分析，檢測時(shí)間較長，不能實(shí)時(shí)進(jìn)行水質(zhì)檢測，不利于大眾化。

本文設(shè)計(jì)了一款水質(zhì)檢測電路，將電化學(xué)分析法與阻抗測量法結(jié)合在一起，并集成在同一顆芯片內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)檢測設(shè)備的小型化，同時(shí)更易于檢測自動(dòng)化和便攜化，降低了檢測成本，可實(shí)現(xiàn)便攜式檢測設(shè)備的大規(guī)模批量生產(chǎn)，可以極大促進(jìn)市場推廣。

水質(zhì)檢測芯片通過三角波激勵(lì)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，正弦波激勵(lì)測量阻抗譜，芯片外接不同的傳感器，可以輸出不同的反應(yīng)電流，經(jīng)數(shù)字化采集處理，獲得測試曲線進(jìn)行擬合分析，從而測得不同物質(zhì)的含量。

本文首先介紹水質(zhì)檢測通常采用的測量方法，為本文設(shè)計(jì)測量電路提供理論依據(jù)；然后介紹芯片的整體電路設(shè)計(jì)，給出了芯片的各模塊組成結(jié)構(gòu)；最后進(jìn)行各模塊的電路設(shè)計(jì)，并對電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1電化學(xué)測量方法

純凈液體內(nèi)加入不同物質(zhì)后，電化學(xué)反應(yīng)也不同，根據(jù)這個(gè)機(jī)理，電化學(xué)測量法是液體內(nèi)物質(zhì)含量測試最常用的測量方法之一。通過對插入液體的電極施加不同的電激勵(lì)信號，電極間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)在電極上產(chǎn)生不同的電流信號。通常會(huì)控制兩個(gè)電極的電勢，如進(jìn)行脈沖掃描、階躍式掃描、線性掃描等等方式。[1][2]

為了獲得電極上的極化曲線，通常須同時(shí)測量電極上的電流和電勢，目前最常用的測量方法是三電極測量，三電極傳感器由工作電極W、參比電極R和對電極C組成，電流流經(jīng)工作電極到對電極?；镜臏y量電路如圖1所示。

圖1 三電極基本測量電路示意圖

本文采用常用的循環(huán)伏安法作為電化學(xué)測試方法，以三角波形式對工作電極和參比電極之間的電勢掃描，使得電極交替發(fā)生還原和氧化反應(yīng)，在對電極上獲得輸出電流，根據(jù)輸出電流和輸入電勢之間的曲線形狀，可以判斷出電極反應(yīng)的可逆程度和化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)，繼而得到液體內(nèi)不同物質(zhì)的含量。[3] [4]

2芯片整體電路設(shè)計(jì)

為了獲得精準(zhǔn)的水質(zhì)含量測試結(jié)果，設(shè)計(jì)的芯片集成了6個(gè)處理通道，分別是：2路三角波電化學(xué)檢測電路、1路正弦波阻抗檢測電路、1路工作溫度檢測電路、1路電阻檢測電路和1路電壓檢測電路。芯片整體框圖如圖2所示。

圖2 水質(zhì)檢測芯片整體框圖

三角波檢測電路用于進(jìn)行循環(huán)伏安法控制三電極傳感器[5] [6]，兩路檢測電路控制兩個(gè)三電極傳感器，分別是R1 C1 W1和R2 C2 W2。通過外部電路產(chǎn)生的三角波電壓輸入到DA1和DA2兩個(gè)輸入管腳，經(jīng)放大濾波處理后，加到被測傳感器的工作電極和參比電極，對電極上的輸出電流經(jīng)I-V轉(zhuǎn)換電路生產(chǎn)電壓信號輸出至片外，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

正弦波檢測電路用于阻抗譜的測量。正弦交流信號作為激勵(lì)源輸入至芯片VSIN管腳，待測阻抗可等效為電容和電導(dǎo)的并聯(lián)模式，即Yx=Gx+jCx，如圖3所示。

圖3 阻抗測量原理示意圖

激勵(lì)信號U1=Asinωt，流過被測阻抗的電流為I=U1 X Yx，輸出信號為：

U2 = -I X Rs = -U1 X Yx X Rs =-A X Rs X AxSin(ωt+φ)

(1)

(1)式中φ為被測阻抗的相位，Ax為被測阻抗幅值，Rs為參比電阻。將U2與U1作比較就可以獲得被測阻抗的信息。

溫度檢測電路用于檢測芯片的環(huán)境溫度，將測得溫度值送給處理器，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。電阻檢測電路用于檢測某個(gè)電阻值，在某些應(yīng)用場景可以檢測電阻的精度。電壓檢測電路同樣用于檢測某個(gè)電壓值，用于處理器做精度補(bǔ)償。

3電路設(shè)計(jì)

3.1三角波檢測電路設(shè)計(jì)

芯片內(nèi)集成了兩路三角波檢測電路，兩路功能獨(dú)立，每一路由兩個(gè)低噪聲軌對軌放大器(OPA1,OPA2)和一個(gè)跟隨器放大器(OPA)組成。其中兩個(gè)低噪聲軌對軌放大器之間接被測傳感器，具體電路如圖4所示。

圖4 三角波檢測電路

被測傳感器三個(gè)電極與電路中的R1 C1 W1相連，通過改變C1和W1之間的電流，維持R1和W1之間電壓恒定，使得傳感器的工作電極與參比電極之間的電勢恒定。通過DA_1輸入的等腰三角形式脈沖電壓加到工作電極上，可在AD_T1處獲得電流電壓曲線，一次三角波掃描后，完成一個(gè)電極還原和氧化過程的循環(huán)。經(jīng)過處理器分析電流電壓曲線，可以測得溶液中的某些物質(zhì)的含量。

3.2正弦波檢測電路設(shè)計(jì)

正弦波檢測電路由兩部分組成，低通濾波器和可控增益放大器。低通濾波器用于濾除帶外干擾，使得正弦波頻率更加純凈。可控增益放大器將被測信號做適當(dāng)放大。

圖5 正弦波檢測電路

濾波器電路采用一階低通濾波器，截止頻率為15KHz～170KHz可調(diào)，增益為0.5～5.5倍可調(diào)。

可控增益放大器采用兩級放大器，第一級為1/10倍可調(diào)增益，第二級為1、2、5倍可調(diào)，總可調(diào)增益為1、2、5、10、20、50。

3.3溫度檢測電路設(shè)計(jì)

溫度檢測電路通過溫敏電阻，轉(zhuǎn)換為電壓，然后放大電壓信號，再檢測電壓值，最終可以得到一個(gè)溫度與電壓的關(guān)系式，具體電路如下圖6所示。

圖6 溫度檢測電路

4 仿真及驗(yàn)證

芯片采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，基于0.18um CMOS器件模型進(jìn)行了各電路仿真驗(yàn)證。三角波檢測電路仿真條件是輸入信號為一個(gè)三角波，傳感器等效為電阻，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 三角波檢測電路仿真結(jié)果

由圖7可見，參考電極R可以跟隨輸入端Vin，從而保證參考電極R和工作電極W之間電壓差自動(dòng)恒定，該電壓等于Vin與工作電極之間電壓。

溫度檢測電路的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 溫度檢測電路仿真結(jié)果

由圖8可見，當(dāng)溫度傳感器等效電阻值在500-900Ω之間時(shí)，輸出電壓可以保持線性關(guān)系，通過更改電路參數(shù)，可以獲得不同的電阻測量范圍和斜率。

電阻檢測電路的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 電阻檢測電路仿真結(jié)果

由圖9可以看出，電阻檢測范圍為：為0Ω～1MΩ。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款水質(zhì)檢測芯片，芯片主要采用了電化學(xué)反應(yīng)和阻抗譜測量相結(jié)合的方法，通過三角波激勵(lì)進(jìn)行循環(huán)伏安法測試，正弦波激勵(lì)測量阻抗譜。芯片集成了6通道處理電路，分別是：2路三角波電化學(xué)檢測電路、1路正弦波阻抗檢測電路、1路工作溫度檢測電路、1路電阻檢測電路和1路電壓檢測電路。芯片輸出的電流信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字量化后，得到的測量曲線可與已知物質(zhì)濃度曲線比擬，從而實(shí)現(xiàn)液體內(nèi)未知濃度成分的定量測量。芯片同時(shí)可檢測環(huán)境溫度、電阻值和電壓值，用于檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)補(bǔ)償。