智能电导率仪整体设计方案与电路详解

　　智能电导率仪采用交流测量法来测量电导率。正弦激励的产生是通过阻抗测试芯片AD5933来实现的。AD5933输出的正弦激励加在电导池的电极上，AD5933可以计算出溶液阻抗经过傅里叶变换后阻抗的实部R和虚部I（结果保存在AD5933的寄存器中），然后再计算出校准系数A，就可以通过单片机计算出溶液的真实阻抗，进而计算出溶液的电导率。温度补偿电路测量溶液温度，用于修正温度对测量带来的影响。

　　设计背景

　　电导率是一个衡量水溶液导电能力的电学物理量， 电阻率的倒数为电导率，用希腊字母κ表示（或者γ［1］），κ=1/ρ。一般意义上，电导率的测量温度是标准温度（25℃）。在液体中，水的电导率是衡量水质的一个重要指标。电导率的测量在日常生产和生活中有着比较广泛的应用，如测量饮用水的电导率用来检测水中所含电解质的浓度，用来测量沿海地下水的电导率来查看其地下水收海水的入侵程度，还可以用测量电导率的方式来辨别地沟油等。本文就是鉴于测量电导率的广泛应用而设计出了一种测量溶液电导率的智能测量仪。

　　主控芯片单片机

　　电导率测量仪采用的微控制器是LPC932单片机，LPC932具有集成度高和成本低的特点。该单片机的封装体积比较小，有利于减小PCB板的面积。比较高的集成度也可以减少单片机外围器件的数量。LPC932只需要二到四个时钟周期的指令执行时间，与普通的80C51器件相比，其速度要快很多。

　　AD5933阻抗测量和正弦信号发生电路

　　电导率测量仪测量所需要的正弦激励是由芯片AD5933来实现的。正弦信号的幅值和频率可以通过该芯片进行调节。当AD5933的外部接入负载时，负载阻抗经过傅里叶变换后的实部R和虚部I可以由AD5933计算出来并保存在内部寄存器中。由此可以计算出傅里叶变换后。

　　AD5933的硬件连接图如图1所示。

　　

　　图1 AD5933的硬件连接图

　　为了提高AD5933输出信号的精度，采用有源晶振芯片为其提供外部时钟，芯片的频率为16.384MHz。AD5933内部ADC的采样频率是外部时钟MCLK的1/16，这样最终进入内部ADC的频率就是16.384/16=1.204MHz，由此得到芯片的分辨率为1.024MHz/1 024=1kHz，，确保了扫描频率是1 000的整数倍，这样就可以防止DFT计算时发生频谱泄露，保障其变换后结果的正确性。最后经过DFT变换后阻抗的实部和虚部保存到AD5933的寄存器中，单片机可以通过AD5933的SCL引脚和SDA引脚用C 总线的方式读取寄存器中的结果。AD5933输出的正弦波经过两个大小为100μF和100nF的电容并联进行直流分量的隔离，对运算放大器AD8605 的输出端也采取了同样的措施来隔离输出信号中的直流分量。由于AD5933内部运放的同相输入端有一个1/2VDD的正向偏置电压，所以在AD8605的同相输入端也加入了一个1/2VDD的正向偏置电压，以保证正弦信号在达到峰值3V时不失真。