Micro GC的低功耗数据采集电路设计*

刘鸿飞 陈 忠

(厦门大学物理与机电工程学院 厦门 361005)

气相色谱法是现代化学组分分析的主要手段之一,在药物分析、农药残留分析、环境分析、食品分析、石油和石化分析和化工产品及高聚物分析等多个领域中发挥着举足轻重的作用[1-2].微型气相色谱仪(micro gas chromatography,micro GC)体积小、功耗低、分析速度快、检测灵敏度高、动态范围宽,得到了现场测试界的广泛青睐,是GC发展的重要方向之一[3-4].Agilent 3000+是micro GC的典型代表之一,应用Agilent专利技术——多比例低噪声 ADC[5],取得了极大的成功.但是,在使用过程中,其核心部件——比较器功耗过大,导致在室温环境下,其温度高达108℃,而其额定工作温度仅为85℃,严重地威胁到micro GC的可靠性和无故障使用寿命[6].另外,由于ADC不对称的输入范围,限制了 Agilent 3000+在某些化学分析上的应用.

1 Micro GC的数据采集电路需求分析

Micro GC现用数据采集电路如图1所示,载气和样品气分别经过样品分离柱中输出,流经TCD的加热池,TCD的加热丝与置于电路板上的精密电路、运放等构成恒丝温电路(constant temperature circuit,CTC),样品气通路与载气通路上所有的元器件参数均尽量保持一致,可一次消除分离柱、TCD、电路带来的误差[7-8].由图1可见,CTC电路输出信号的电压范围为-3～10 V,经过差分放大电路后,以单端信号输出,单端信号的电压范围为-4～1.5 V,单端信号输入到模数转换器(ADC)进行数字化[9].

图1 Micro GC的信号链路

Micro GC对数据采集电路的要求主要为:(1)有效位深度[10]大于 20.3 b;(2)支持摆幅-3～10 V的信号输入;(3)采样率不低于200 Hz;(4)非线性误差小于1%.Agilent 3000+现用数据采集方案如图 2所示,载气和样品气的TCD工作在 CTC状态下,其输出信号送往由AD8674的3个运放构成的仪表放大器,仪表放大器输出的单端信号,输入到安捷伦2002年发明的多比例双斜积分ADC,该ADC可以转换双极性的模拟输入信号,且具有很强的抗工频干扰能力,在micro GC应用中取得了极大的成功,至今代表了国际的最高水平.

图2 Agilent 3000+现用数据采集方案示意图

2 低功耗、低噪声数据采集电路设计

2.1 低功耗ADC的应用设计

ADC是micro GC数据采集电路的核心部件,与micro GC动态范围、最低检测限等关键参数密切相关.如前所述,ADC须提供高达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 调 制 技 术[11-12].ADS1255是TI公司推出的一款低功耗、低噪声、24 b Δ-Σ模数转换器.其噪声低至0.63μV,功耗为38 mW,正常工作时,自身发热导致的温度升高仅4.3℃,可以满足在micro GC的应用.

本文采用了ADI公司生产的低噪声2.5 V电压参考——ADR431,ADR431具有业界最佳性能:3.5μV的峰峰噪声,3 ppm/℃的温度漂移.为了降低ADC工作充放电对参考电压带来的冲击,增加了一个跟随电路,以增大电压参考得驱动能力.具体设计见图3所示.

图3 超低噪声参考电压电路设计

2.2 ADC前端驱动电路的设计

对比CTC差分电路的输出和ADS1255的输入,可以发现,CTC差分电路的输出为-4～1.5 V单端信号,而ADS1255的单端输入模式,只支持0～+5 V,差分输入支持-5～+5 V,所以ADS1255并不适合CTC差分电路的输出,需要设计一个差分输入、差分输出(全差分)放大电路作为ADC前端驱动电路,以调理CTC电路的输出信号和驱动ADS1255.文中设计了一款高共模电压全差分放大电路,见图4所示.

图4 高共模电压全差分输出电路

从电路中可以看出,ADC前端驱动实际上是由两个差分输入单端输出放大电路组成,整个全差分放大电路的传输函数为

图4中,全差分放大电路的上下两侧的电路完全对称,因此,可以计算单侧的噪声,再进行加权平均,既可得到输入电路的噪声.考虑到热噪声、电流噪声、电压噪声等综合噪声因素,建立起单侧输入电路的噪声模型,如图5所示.

图5 ADC前端驱动单侧电路的噪声模型

包括噪声的系统传输函数为

根据传输函数,可以计算出噪声功率为

根据上述噪声功率公式,可以计算出每个噪声源的贡献和整个输入电路的噪声幅度,其中电阻热噪声功率为即每1 kΩ电阻在1 Hz带宽内的噪声值为.总体噪声的详细计算,ADC前端驱动单侧电路的噪声N1为145.76 nV,则整个前端驱动电路的噪声N为

从实践经验上来看,这个噪声水平是比较低的,而且 micro GC的信号带宽非常低,在10 Hz,因此,输入电路对系统噪声的影响比较有限.另外,从噪声的贡献源来,电阻热噪声是主要贡献者,因此还可以通过降低反馈电阻等,来进一步降低电路噪声.

3 低功耗数据采集电路的性能测试与评价

3.1 功耗与温度测试

采用一台Agilent 34970A多通道数据采集仪和若干K型热电偶来采集各元器件的表面工作温度,热电偶测温端用导热胶粘在器件表面,进行温度测量.根据实际测试,数据采集电路的总功耗由9.5 W降低到5.8 W,从而降低了发热源,而数据采集电路全部置于屏蔽盒里面,因此使得屏蔽盒内的环境温度下降了11.7℃.由于屏蔽盒内的环境温度降低,各元器件的工作温度都降低,各重要元器件的温度实际测量值如表1所列,各个元器件的工作温度全部在其额定工作温度范围内,从而提高了系统的可靠性.

表1 两种数据采集电路中各重要元器件的温度值

3.2 噪声性能测试

对文中设计的数据采集电路进行噪声测试,结果如表2所列.

表2 100 Hz采样率下的数据采集电路噪声测试结果

当采样率为50 Hz时,ADC噪声为0.87 μV,数据采集电路的噪声为1.24μV,系统总噪声为2.76μV,测试结果表明,新设计的低功耗数据采集电路可以满足micro GC的功能需求,不会降低micro GC的性能指标.实际色谱测量时,色谱信号带宽一般在10 Hz以内,即采样率还可以进一步降低至30 Hz左右,因此,相应噪声将进一步降低.

4 结 束 语

从文中的测试结果可以看出,通过应用低功耗数据采集电路后,相关重要部件的工作温度已经在额定工作范围内,但是还是相对较高,有的已经接近其工作温度,如果环境温度升高50℃,个别元器件的工作温度将达到或超过其额定工作温度,可以设法进一步降低屏蔽盒内各元器件的消耗功率,以降低屏蔽盒内温度.从功率分布图来看,ADS7809,AD817,OPA 4227的消耗功率偏大,可以考虑用低功耗的同类产品替代.

致谢 感谢安捷伦科技(上海)有限公司的曹德祥、宋伟晾、葛文逸等在micro GC的研制工作中的帮助与指导.

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