一款多通道水质检测芯片设计

唐守龙

(南京天鸿辰芯电子科技有限公司,江苏 南京 210012)

引言

随着人民生活水平的日益提高，饮用水质量越来越受到广泛重视，尤其是非常关注水中的重金属含量、水的硬度、农药残留物等指标，若这些指标含量过高，长久饮用，会严重危害身体健康。

水质检测传统方法是采用专业检测设备，这类设备一般体积大而且笨重，都需要在实验室里完成检测分析，检测时间较长，不能实时进行水质检测，不利于大众化。

本文设计了一款水质检测电路，将电化学分析法与阻抗测量法结合在一起，并集成在同一颗芯片内，实现了水质检测设备的小型化，同时更易于检测自动化和便携化，降低了检测成本，可实现便携式检测设备的大规模批量生产，可以极大促进市场推广。

水质检测芯片通过三角波激励进行电化学反应，正弦波激励测量阻抗谱，芯片外接不同的传感器，可以输出不同的反应电流，经数字化采集处理，获得测试曲线进行拟合分析，从而测得不同物质的含量。

本文首先介绍水质检测通常采用的测量方法，为本文设计测量电路提供理论依据；然后介绍芯片的整体电路设计，给出了芯片的各模块组成结构；最后进行各模块的电路设计，并对电路进行了仿真验证。

1电化学测量方法

纯净液体内加入不同物质后，电化学反应也不同，根据这个机理，电化学测量法是液体内物质含量测试最常用的测量方法之一。通过对插入液体的电极施加不同的电激励信号，电极间发生化学反应，会在电极上产生不同的电流信号。通常会控制两个电极的电势，如进行脉冲扫描、阶跃式扫描、线性扫描等等方式。[1][2]

为了获得电极上的极化曲线，通常须同时测量电极上的电流和电势，目前最常用的测量方法是三电极测量，三电极传感器由工作电极W、参比电极R和对电极C组成，电流流经工作电极到对电极。基本的测量电路如图1所示。

图1 三电极基本测量电路示意图

本文采用常用的循环伏安法作为电化学测试方法，以三角波形式对工作电极和参比电极之间的电势扫描，使得电极交替发生还原和氧化反应，在对电极上获得输出电流，根据输出电流和输入电势之间的曲线形状，可以判断出电极反应的可逆程度和化学反应性质，继而得到液体内不同物质的含量。[3] [4]

2芯片整体电路设计

为了获得精准的水质含量测试结果，设计的芯片集成了6个处理通道，分别是：2路三角波电化学检测电路、1路正弦波阻抗检测电路、1路工作温度检测电路、1路电阻检测电路和1路电压检测电路。芯片整体框图如图2所示。

图2 水质检测芯片整体框图

三角波检测电路用于进行循环伏安法控制三电极传感器[5] [6]，两路检测电路控制两个三电极传感器，分别是R1 C1 W1和R2 C2 W2。通过外部电路产生的三角波电压输入到DA1和DA2两个输入管脚，经放大滤波处理后，加到被测传感器的工作电极和参比电极，对电极上的输出电流经I-V转换电路生产电压信号输出至片外，进行模数转换。

正弦波检测电路用于阻抗谱的测量。正弦交流信号作为激励源输入至芯片VSIN管脚，待测阻抗可等效为电容和电导的并联模式，即Yx=Gx+jCx，如图3所示。

图3 阻抗测量原理示意图

激励信号U1=Asinωt，流过被测阻抗的电流为I=U1 X Yx，输出信号为：

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

(1)

(1)式中φ为被测阻抗的相位，Ax为被测阻抗幅值，Rs为参比电阻。将U2与U1作比较就可以获得被测阻抗的信息。

温度检测电路用于检测芯片的环境温度，将测得温度值送给处理器，进行温度补偿。电阻检测电路用于检测某个电阻值，在某些应用场景可以检测电阻的精度。电压检测电路同样用于检测某个电压值，用于处理器做精度补偿。

3电路设计

3.1三角波检测电路设计

芯片内集成了两路三角波检测电路，两路功能独立，每一路由两个低噪声轨对轨放大器(OPA1,OPA2)和一个跟随器放大器(OPA)组成。其中两个低噪声轨对轨放大器之间接被测传感器，具体电路如图4所示。

图4 三角波检测电路

被测传感器三个电极与电路中的R1 C1 W1相连，通过改变C1和W1之间的电流，维持R1和W1之间电压恒定，使得传感器的工作电极与参比电极之间的电势恒定。通过DA_1输入的等腰三角形式脉冲电压加到工作电极上，可在AD_T1处获得电流电压曲线，一次三角波扫描后，完成一个电极还原和氧化过程的循环。经过处理器分析电流电压曲线，可以测得溶液中的某些物质的含量。

3.2正弦波检测电路设计

正弦波检测电路由两部分组成，低通滤波器和可控增益放大器。低通滤波器用于滤除带外干扰，使得正弦波频率更加纯净。可控增益放大器将被测信号做适当放大。

图5 正弦波检测电路

滤波器电路采用一阶低通滤波器，截止频率为15KHz～170KHz可调，增益为0.5～5.5倍可调。

可控增益放大器采用两级放大器，第一级为1/10倍可调增益，第二级为1、2、5倍可调，总可调增益为1、2、5、10、20、50。

3.3温度检测电路设计

温度检测电路通过温敏电阻，转换为电压，然后放大电压信号，再检测电压值，最终可以得到一个温度与电压的关系式，具体电路如下图6所示。

图6 温度检测电路

4 仿真及验证

芯片采用CMOS工艺实现，基于0.18um CMOS器件模型进行了各电路仿真验证。三角波检测电路仿真条件是输入信号为一个三角波，传感器等效为电阻，仿真结果如图7所示。

图7 三角波检测电路仿真结果

由图7可见，参考电极R可以跟随输入端Vin，从而保证参考电极R和工作电极W之间电压差自动恒定，该电压等于Vin与工作电极之间电压。

温度检测电路的仿真结果如图8所示。

图8 温度检测电路仿真结果

由图8可见，当温度传感器等效电阻值在500-900Ω之间时，输出电压可以保持线性关系，通过更改电路参数，可以获得不同的电阻测量范围和斜率。

电阻检测电路的仿真结果如图9所示。

图9 电阻检测电路仿真结果

由图9可以看出，电阻检测范围为：为0Ω～1MΩ。

5 结论

本文设计了一款水质检测芯片，芯片主要采用了电化学反应和阻抗谱测量相结合的方法，通过三角波激励进行循环伏安法测试，正弦波激励测量阻抗谱。芯片集成了6通道处理电路，分别是：2路三角波电化学检测电路、1路正弦波阻抗检测电路、1路工作温度检测电路、1路电阻检测电路和1路电压检测电路。芯片输出的电流信号经模数转换数字量化后，得到的测量曲线可与已知物质浓度曲线比拟，从而实现液体内未知浓度成分的定量测量。芯片同时可检测环境温度、电阻值和电压值，用于检测结果的数据补偿。