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PH计是一种常用的仪器设备，一般用于测量液体中的氢离子浓度，可得出酸性、中性还是碱性的数值。主要应用在环保、污水处理、医药、化工等领域。但在PH测量过程中往往会出现误差，那么要如何实现精准高效的PH测量呢？技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Galen Zhang针对基于电极法原理的ADI PH 计应用方案展开了详细介绍。
PH测量原理
PH值是衡量水溶液中氢离子和氢氧化物离子相对量的一项指标。就摩尔浓度来说，25°C的水含有1×10^−7mol/L氢离子，氢氧化物离子浓度与此相同。中性溶液指氢离子浓度正好等于氢氧化物离子浓度的溶液。PH值是表示氢离子浓度的另一种方式，定义如下：
因此，如果氢离子浓度为1×10^−2mol/L，则PH值为2.00。PH电极是许多工业所使用的电化学传感器，对水处理和污水工业具有特别重要的意义。PH电极是由一个玻璃测量电极和一个参考电极构成，类似于一块电池。当把电极置于溶液中时，测量电极产生一个电压，具体取决于溶液中氢离子的活性，然后将该电压与参考电极的电位进行比较。随着溶液酸性的增强（PH值变低），玻璃电极电位相对于参比电极阳性增强（+mV）；随着溶液碱性的增强（PH值变高），玻璃电极电位相对于参比电极阴性增强（-mV）。这两个电极之差即为测得电位。在理想情况下，典型的PH电极在25°C下会产生59.154 mV/PH单位，用能斯特方程表示为：
其中：
E = 氢电极电压，活性未知
α= ±30 mV，零点容差
T = 环境温度（单位：°C）
n = 1（25 °C），价（离子上的电荷数）
F = 96485库仑/摩尔，法拉第常数
R = 8.314 伏特-库仑/°K摩尔，阿伏加德罗氏数
PH = 未知溶液的氢离子浓度
PHISO = 7，参比氢离子浓度
方程表明，产生的电压取决于溶液的酸度和碱度，并以已知的方式随氢离子活性而变化。溶液温度的变化会改变其氢离子的活性。当溶液被加热时，氢离子运动速度加快，结果导致两个电极间电位差的增加。另外，当溶液冷却时，氢活性降低，导致电位差下降。根据设计，在理想情况下，当置于PH值为7的缓冲溶液中时，电极会产生零伏特电位。
PH校准
由于电极涂层和老化原因，PH电极的特性会随时间而变化。因此，需要使用校准程序来获得最高精度。校准通过测量两种缓冲溶液的PH值来完成，各缓冲溶液的PH值已知。软件包括不同PH值缓冲溶液的NIST查找表，以及0℃至95℃温度校正的PH值。溶液温度利用电阻温度检测器（RTD）测得。使用以下线性等式：
确定PH传感器传递函数的实际斜率，测量实际失调电压。为了计算斜率，需求解下式：
其中：
y1为第一点的测量电压。
y2为第二点的测量电压。
x1为第一点的已知PH值。
x2为第二点的已知PH值。
进行上述测量并将一个校准点代入等式2，便可根据以下最终等式确定未知PH值：
其中：
x为未知PH值。
y为测量电压。
b为测量失调电压。
m为斜率。
然后可以使用等式3来调整先前所述能斯特方程给出的值。
PH值测量中的温度补偿
当测量溶液的PH值时，须考虑的最重要参数之一是温度变化。当溶液的温度改变时，溶液的PH值也会发生可观的变化。这个改变的值不是PH读数的误差，而是新温度下溶液的真实PH值。温度变化可能导致测量电极的灵敏度发生变化，进而引起测量误差。该误差是可预测的，并且可通过全温度范围内的电极
校准和后续测量期间的温度校正来解决。理想电极是在PH=7下精确归零的电极。在PH=7时，温度对电极灵敏度的影响可以忽略不计。然而，大多数PH电极不是理想电极，存在由于温度变化而导致的电极灵敏度问题。一般温度误差非常接近0.003 PH/℃/偏离PH=7的PH单位数。在这种情况下，必须校准PH计以应用此0.003的校正因子。 用校准好的温度传感器，即可实现这种补偿。然后，该温度传感器便能告知温度的变化（如有）。如果存在变化，则将“0.003 PH/℃/偏离PH=7的PH单位数”的校正因子读数输入最终PH读数，PH计将能显示经过校正且更准确的读数。该机制能够很好地补偿由于温度变化引起的PH值误差。
PH测量方案
图1.ADI PH计方案框图
方案描述
PH测量
在ADI PH计方案中，系统分为两个独立测量前端：PH值、温度。在信号调理之后，2个通道共用一个24位Σ-Δ型模数转换器（ADC） AD7124-4或AD4130-8。
AD7124-4是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、全集成式模拟前端。该器件内置一个低噪声24位Σ-Δ型ADC，可配置为提供4个差分输入或7个单端或伪差分输入。片内增益级确保ADC中可直接输入小信号。当前的功耗、输出数据速率范围和均方根噪声均可通过所选功率模式进行定制。该器件还提供多个滤波器选项，确保为用户带来更大的灵活性。当输出数据速率为25 SPS（单周期建立）时，AD7124-4可实现50 Hz和60 Hz同时抑制，且在较低输出数据速率下，可实现超过80 dB的抑制性能。
AD7124-4提供高的信号链集成度。该器件内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，也可采用内部缓冲的外部差分基准电压。其他主要集成特性包括可编程低漂移激励电流源、开路测试电流控制和偏置电压发生器，后者可将某一通道的共模电压设置为AVDD/2。低端功率开关支持用户在两次转换之间关断桥式传感器，确保系统功耗较低。该器件还允许用户采用内部时钟或外部时钟工作。
AD4130-8 是一款超低功耗的高精度测量解决方案，适用于使用低带宽电池工作的应用。完全集成的模拟前端（AFE）包括可用于多达 16 个单端或 8 个差分输入的多路复用器、可编程增益放大器（PGA）、24位Σ-Δ（Σ-Δ）模数转换器 （ADC）、片内基准电压和振荡器、可选滤波器选项、智能时序控制器、传感器偏置和激发选项、诊断以及新添加的功能，可改善使用电池运行的寿命（一颗纽扣电池可使用 5 年多），即先进先出 （FIFO） 缓冲区和占空比。
利用 AD4130-8，用户可以在连续转换过程中测量电流消耗为 28.5μA（增益= 1）和32.5μA（增益=128）的低频信号，当使用占空比选项之一时，甚至可以在使用更低的平均电流时进行测量。AD4130-8 可配置为具有8个差分输入或 16个单端或伪差分输入，它们连接到交叉点多路复用器，其中任何输入对都可以成为 PGA 和 ADC 的测量通道输入。
AD4130-8 提供了以下关键模拟功能，从而支持简单有效地连接到用于测量温度、负载和压力的传感器：
- PGA。由于可编程增益（从1到128）和低输入电流的高输入阻抗，PGA 允许直接与低输出振幅的传感器连接，例如电阻桥、热电偶和电阻温度检测（RTD）。
- 电容式 PGA 支持全共模输入范围，对于广泛变化的输入共模，为设计人员提供了更多余地。更宽的共模输入范围提高了整体分辨率，在比率指标测量中非常有效。
- 低漂移精度电流源。IEXC0 和 IEXC1 电流源可用于激发 2 线、3 线和 4 线 RTD。激发电流输出选项包括100nA、10μA、20μA、50μA、100μA、150μA和200μA。
- 低端电源开关（PDSW）可用于在转换之间关断桥传感器。可基于每个通道在时序控制器内控制 PDSW，从而让整体系统达到最佳时序和节能效果。PDSW 还支持在低功耗系统中使用更高功率的模拟传感器。
- 适用于热电偶的电压偏置（VBIAS 源将通道的共模电压设置为 AVDD/2）。
- 智能时序控制器允许以预定顺序转换每个启用的预配置通道，从而支持交错混合传感器、系统检查和诊断测量。凭借时序控制器，无需再与套件重复串行接口通信。序列中可配置 16 个通道，每个通道可以从 8 个预定义的 ADC 设置中进行选择，从而允许选择增益、滤波器类型、输出数据速率、缓冲、时序和基准电压源。
典型的PH探针电极由玻璃制成，可形成极高的电阻，范围从1 MΩ到1 GΩ不等，充当与PH电压源串联的电阻，流过该串联电阻的缓冲放大器偏置电流会给系统带来失调误差。为使电路与该高源电阻隔离开来，在这种应用中需要一个高输入阻抗、超低输入偏置电流的缓冲放大器。ADA4661-2或LTC6078为PH探针等高阻抗传感器提供精密缓冲并驱动ADC。
ADA4661-2是一款双通道、精密、轨到轨输入/输出放大器，针对低功耗、高带宽和宽工作电源电压范围应用进行了优化。为使流经高输出阻抗（约1 GΩ）PH传感器的偏置电流引起的失调误差最小，典型输入偏置电流为0.15 pA。ADA4661-2的偏置误差有150μV。这相当于25°C时PH值的误差为0.0025 PH。在PCB布板中建议通过使用保护环、屏蔽及其他不受低电流影响的技术进行合适的布局测量。
预测PH通道的系统噪声性能
输出数据速率为25 SPS且增益为1时，AD7124-4在满功率模式下的rms噪声为570 nV（噪声折合到输入端，来自AD7124-4数据手册）。此时峰峰值噪声可用下式求得：
峰峰值噪声 = 6.6×rms噪声=6.6×570nV=3.76μV
通过和方根（rss）方式加上ADA4661-2贡献的噪声（3μVp-p），预测总系统噪声为4.818μVp-p。如果PH计的灵敏度为59mV/PH，则PH计能测量的无噪声分辨度PH水平为4.818μV/（59mV/PH）=0.0000816PH
满量程ADC输入范围为6.6 V，因此，预测峰峰值分辨率为
温度测量
如下为2线RTD温度测量：
图2. 2线RTD温度测量
AD7124-4/AD4130-8的三个模拟引脚用于实现2线配置：AIN0、AIN2和AIN3。AIN2和AIN3配置为全差分输入通道，用于检测RTD上的电压。使用的基准输入为REFIN+和REFIN1-。由于使用了低端基准电阻，因此需要基准裕量电阻。
两线配置需要一个激励电流源。用于激励RTD电阻、基准电阻和裕量电阻的激励电流源由AVDD产生，并流向AIN0（IOUT0）。相同的电流流经RTD和精密基准电阻（其产生基准电压），从而确保进行比例式测量。
ADI官网可以检索到测试验证过的实验室电路Circuit Note： 《CN-0381, 采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式4线RTD测量系统》；以及《CN0383, 采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式3线RTD测量系统》。
电源
MAX42402/ MAX42403是ADI新推出的一款基于P90新工艺的低成本，高性价比的开关电源芯片。为小型同步降压转换器，集成了高侧和低侧开关，可提供高达2.5A/3.5A的电流。电压质量可以通过观察PGOOD信号来监测。该IC可以在99%占空比低压差下运行，非常适合工业应用。
主要优势
MAX42402/ MAX42403采用ADI特有Silent Switcher技术，使用对称输入和倒装芯片封装技术，具有低噪声和低EMI特性，可用于低电磁干扰解决方案和需要卓越电磁干扰性能的应用。
MAX42402/ MAX42403在强制PWM和跳跃工作模式下具有很高效率和低静态电流。
MAX42402/ MAX42403可灵活地进行两个转换器并联操作，以满足更高的功率要求
特点：
- 多功能，小尺寸
- 工作输入电压范围：4.5V至36V
- 集成高达2.5A/3.5A FET的同步DC-DC转换器
- 跳跃模式下的静态电流为27μA
- 开关频率：1.5MHz/400kHz扩频选项3.5Ms （1.5Mhz）/2.5ms （400kHz）内部软启动
- 可编程输出电压范围：0.8V至12V
- 99%占空比工作模式以实现低压差
- 高精度符合安全关键应用要求
- 精密使能阈值实行完全可编程的UVLO阈值
- 准确的窗口式PGOOD
- 强制PWM和跳跃工作模式
- 过温、过压和短路保护
- 3mm x 3mm FC2QFN
- 工作温度范围：–40℃至+125℃
MAX38902A/B/C/D为低噪声、线性稳压器，可提供高达500mA输出电流，输出噪声仅为12μVRMS，频率范围为10Hz至100kHz。这些稳压器在较宽输入电压范围下维持±1%输出精度，满载时只需100mV的输入至输出电压裕量。空载电源电流为365μA，与压差无关。还具有固定电压输出和电阻可调输出电压两种，范围为0.6V至5.3V。MAX38902B还包括低电平有效POK输出。
- 1.7V至5.5V输入电压范围
- 0.6V至5.3V输出电压范围
- 12μVRMS输出噪声，10Hz至100kHz
- 365µA工作电源电流
- 70dB PSRR @ 10kHz
- 500mA最大输出电流
- 在整个负载、电源和温度范围内的DC精度为±1%
- 100mV （最大）压差 @ 500mA负载（3.6VIN）
- 关断电流小于0.1µA
- 采用2µF （最小值）输出电容，非常稳定
- 可编程软启动缓变率
- 过流和过热保护
- 输出至输入反灌电流保护
- 低电平有效POK输出
与MAX8902 （TDFN）引脚兼容
1.22mm x 0.82mm、2 x 3焊球、0.4mm焊距WLP封装，或2mm x 2mm、8x 0.82mm、2 x 3焊球、0.4mm焊距WLP封装，或2mm x 2mm、
ADI PH计应用方案可以帮助客户进行高效的PH值测试，是水质监测方案的极佳选择，ADI还提供灵活丰富的产品方案满足客户个性化需求，其授权代理商Excelpoint世健能为客户提供技术支持，有助于客户缩短产品开发周期，加快产品应用部署。
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