CN0398 適合此電路的其他ADC有AD7794 和AD7795。這兩款器件具有與AD7124-8相同的特性組合。但AD7794為6通道24位ADC，而 AD7795為6通道16位ADC。 AD8615緩沖放大器采用5引腳TSOT封裝。它是一款精密20 MHz CMOS軌到軌輸入/輸出運算放大器，典型輸入偏置電流為0.2 pA，失調電壓低至80 μV（典型值）。 超低噪聲、高精度基準電壓源ADR4533也可用來提供3.3 V基準電壓。 ADP7112是一款CMOS LDO線性穩壓器，基本特性與ADP7118相同，但采用WLCSP封裝。 本電路使用EVAL-CN0398-ARDZ擴展電路板、可選外部電源、帶串口終端程序的PC，以及EVAL-ADICUP360 Arduino兼容平臺板。平臺板用戶指南參見產品頁面：www.analog.com/EVAL-ADICUP360。關于EVAL-CN0398-ARDZ評估板用戶指南和軟件，請訪問www.analog.com/CN0398-UserGuide。 設備要求 需要以下設備： EVAL-CN0398-ARDZ電路板。 EVAL-ADICUP360Arduino兼容平臺并加載CN-0398固件。 帶USB端口的PC以及64位Linux發布版操作系統，內核版本v4.2.0-amd 64或更高，帶終端程序。 7 V至12 V/1 A直流電源，或7 V至12 V/1 A等效臺式電源（使用5 V濕度傳感器時才需要）。 土壤 燒杯 烤箱 天平 VH400濕度傳感器 EC-5濕度傳感器 測試設置功能框圖 圖8所示為測試設置的功能框圖。 圖8. 測試設置功能框圖 設置 采用以下步驟評估電路： 將EVAL-CN0398-ARDZ擴展板插入EVAL-ADICUP360平臺板。 將傳感器連接到EVAL-CN0398-ARDZ板。 按照EVAL-ADICUP360用戶指南中的說明，將EVAL-ADICUP360虛擬COM USB端口連接到PC。 如果使用5 V濕度傳感器，請利用7 V至12 V/1 A直流電源為EVAL-ADICUP360供電。否則，EVAL-ADICUP360可以直接由USB端口供電。 使用115,200 Hz波特率和正確的虛擬COM端口設置終端軟件。 如果系統的波特率設置不正確，則按下EVAL-ADICUP360板上的RESET按鈕設置默認值。 運行軟件，軟件連續顯示傳感器的pH值、溫度和含水量輸出。 欲了解硬件和軟件的運行詳情，請參閱CN-0398用戶指南。CN-0398用戶指南還詳細說明了如何修改軟件并利用線性或多項式方程來支持針對特定土壤的校準。 圖9為EVAL-CN0398-ARDZ Arduino擴展板的照片。 圖9. EVAL-CN0398-ARDZ擴展板 圖10為使用EC-5濕度傳感器的濕度測量設置實例的照片。 圖10. EC-5傳感器對多沙土壤的濕度測量 系統分為三個獨立測量前端：pH值、土壤濕度和溫度。在信號調理之后，三個通道共用一個24位Σ-Δ型模數轉換器(ADC)AD7124-8。AD7124-8是一款適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、全集成式模擬前端。該器件內置一個低噪聲24位Σ-Δ型ADC，可配置為提供8個差分輸入或15個單端或偽差分輸入。片內增益級確保ADC中可直接輸入小信號。 當ADC配置為雙極性編碼工作模式時，任意模擬輸入電壓的輸出碼可以表示為： 其中： N = 24。 AIN為模擬輸入電壓。 Gain為增益設置（1至128）。 VREF為連接在AD7124-8的REFIN(+)和REFIN(?)之間的外部基準電壓。 AD7124-8使用 ADR3433，后者是一款低成本、低功耗、高精度CMOS基準電壓源，具有±0.1%的初始精度、低工作電流和低輸出噪聲等特性。ADR3433為AD7124-8提供3.3 V基準電壓和AVDD電源。ADR3433最多可提供10 mA的源電流。 土壤pH值測量 電路利用ADA4661-2精密運算放大器緩沖高阻抗pH值探針輸出并驅動ADC。ADA4661-2是一款雙通道、精密、軌到軌輸入/輸出放大器，針對低功耗、高帶寬和寬工作電源電壓范圍應用進行了優化。為使流經高輸出阻抗（約1 GΩ）pH傳感器的偏置電流引起的失調誤差最小，典型輸入偏置電流為0.15 pA。ADA4661-2的失調電壓僅有150 μV。 土壤特性由多個參數決定。土壤質地由沙、泥、粘土等礦物顆粒決定。土壤還包含有機物質（活物和死物）、空氣和水。溶解的化學物質導致土壤中的水變為酸性或堿性。土壤的酸度和堿度用pH值來衡量。pH值范圍是0（最高酸度）到14（最高堿度），pH值7表示中性。 對于大多數農作物，最適宜的土壤pH值是5.2到8.0。所有植物都會受極端pH值影響，但它們對酸度和堿度的耐受程度有很大不同。有些植物能在寬范圍的pH值下生長良好，但也有些植物對酸度或堿度的細小變化非常敏感。 可使用組合pH電極來測量pH值。它由一個參考電極和一個環繞其周圍的同心玻璃電極組成。pH電極產生一個對應于土壤pH值的小直流電壓。對測得的pH值進行評估，確 定其是否在特定作物生長所需的pH值范圍內。然后利用該方法，通過提升pH值（增加鈣等酸性中和劑）來校正土壤酸度，或通過降低pH值（如增加硫）來降低堿度。 pH傳感器輸出是雙極性信號，25°C時最大值為±414 mV。AD7124-8采用單電源工作，因此pH探針應偏置到地以上，使其處于AD7124-8的可接受共模范圍之內。AD7124-8的集成特性之一是其內部偏置電壓發生器，它將一個通道的共模電壓設置為AVDD/2或1.65 V。這個來自ADC的偏置電壓被施加于pH探針屏蔽層，并將傳感器輸出設置為1.65 V ±414 mV（25°C時）。 兩點pH值校準 由于電極涂層和老化原因，pH電極的特性會隨時間而變化，因此需要校準程序來獲得最高精度。 校準通過測量兩種緩沖溶液的pH值來完成，各緩沖溶液的pH值已知。軟件包括不同pH值緩沖溶液的NIST查找表，以及0°C至95°C溫度校正的pH值。溶液溫度利用RTD測得。 使用以下線性等式： 確定pH傳感器傳遞函數的實際斜率，測量實際失調電壓。為了計算斜率，需求解以下等式： 其中： y1為第一點的測量電壓。 y2為第二點的測量電壓。 x1為第一點的已知pH值。 x2 為第二點的已知pH值。 進行上述測量并將一個校準點帶入等式2，根據以下最終等式確定未知pH值： 其中： x為未知土壤pH值。 y為測量電壓。 b為測量失調電壓。 m為斜率。 對于未執行校準的直接測量，未知土壤pH值可通過求解以下Nernst方程確定： 其中： E為未知土壤pH值的測量電極電壓。 α為測量失調電壓。 T為測量溫度（單位為°C）。 n = 1（25 °C時），化合價（離子上的電荷數）。 F = 96,485庫侖/摩爾，法拉第常數。 R = 8.314 伏特-庫侖/K摩爾，阿伏加德羅氏數。 pH為未知溶液的氫離子濃度。 pHISO = 7，參比氫離子濃度。 土壤濕度測量 影響農作物生長和產量的一個重要因素是土壤水含量。因此，土壤濕度測量對農業灌溉系統中的水保護十分重要。當今業界使用的常見土壤濕度傳感器大多是容性傳感器。容性傳感器測量土壤的水含量，土壤總量中的水量會影響介電常數。水的相對介電常數εr = 80，遠大于土壤中其他元素的相對介電常數，如礦物質(εr = 4)、有機物質(εr = 4)和空氣(εr = 1)等。土壤中水含量的變化會引起介電常數變化，進而導致電容改變。 濕度傳感器將測得的探針間電容轉換為直流電壓，該直流電壓直接接入ADC以轉換為對應的體積含水量(VWC)。 CN-0398濕度傳感器電路接受輸出電壓范圍為0 V至3 V的三線濕度傳感器（電源、地和電壓輸出）的輸出。濕度傳感器（如Decagon Devices EC-5）需要PWM激勵脈沖，因而傳感器大部分時間是關閉的。通過PWM脈沖，利用ADP7118-2.5 LDO使能引腳（SW_CTRL標簽）開啟和關閉傳感器電源。 ADP7118-2.5是一款CMOS、低壓差(LDO)線性穩壓器，采用2.7 V至20 V電源供電，最大輸出電流為200 mA。ADP7118-2.5的輸入可通過跳線P10選擇，選項有5 V或7 V至12 V，來自Arduino兼容平臺板。ADP7118-2.5的輸出也可通過跳線P8選擇，選項有3.3 V或5 V。 用PWM信號開啟和關閉傳感器電源時，必須等到傳感器的穩定時間過去之后才能對輸出進行采樣。Decagon EC-5傳感器需要10 ms，Vegetronix VH400需要400 ms。 電壓至VWC轉換 該電路利用Decagon Devices EC-5濕度傳感器來評估，其已經過出廠校準，轉換函數如下： 其中： VWC為土壤的體積含水量，用百分比表示。 mV為傳感器輸出，單位為mV。 Vegetronix VH400濕度傳感器的轉換函數是分段線性近似式，如表1所示。 表1. VegetronixVH400濕度傳感器的分段線性傳遞函數 電壓范圍 公式（V = 傳感器輸出，單位為伏） 0 V 至1.1 V VWC = 10 × V ? 1 1.1 V 至1.3 V VWC = 25 × V ? 17.5 1.3 V 至1.82 V VWC = 48.08 × V ? 47.5 1.82 V 至2.2 V VWC = 26.32 × V ? 7.89 溫度測量 圖2所示溫度測量電路是一個基于24位Σ-Δ型ADC AD7124-8的3線式Pt100電阻溫度檢測器(RTD)系統。pH值測量的溫度效應可利用RTD溫度來補償。AD7124-8具有一個50 μA至1 mA的可編程低漂移激勵電流源。ADC通道AIN11和AIN12針對500 μA激勵電流進行編程。IOUT1 (AIN11)流過5.11 kΩ參考電阻和RTD。由于同一電流流經RTD和參考電阻，因此測量是比例式的，激勵電流變化引起的任何誤差都會被消除。IOUT2 (AIN12)流入RTD RL2引線電阻，產生一個電壓，其抵消RL1引線電阻上的壓降。 圖2. 基于RTD的溫度測量電路 pH值測量通常需要溫度補償，因為溫度對pH探針的靈敏度有重大影響。pH探針在25°C時的理想輸出為59.154 mV/pH，但會隨著被測樣本的實際溫度而變化。 用于冷結的4線RTD需要自行線性化。當ADC在雙極性模式工作時，計算RTD電阻(R)的通用表達式如下所示： 其中： RRTD為RTD電阻。 CODE為ADC碼。 N為ADC分辨率(24)。 RREF為參考電阻。 G為所選增益(16)。 將RTD電阻轉換為溫度所涉及到的步驟以及線性化過程參見電路筆記CN-0381。 預測pH通道的系統噪聲性能 輸出數據速率為25 SPS且增益為1時，AD7124-8在滿功率模式下的rms噪聲為570 nV（噪聲折合到輸入端，來自AD7124-8數據手冊）。此時峰峰值噪聲可用下式求得： 通過和方根(rss)方式加上ADA4661-2貢獻的噪聲(3 μV p-p)，預測總系統噪聲為4.818 μV p-p。 如果pH計的靈敏度為59 mV/pH，則pH計能測量的無噪聲分辨度pH水平為 滿量程ADC輸入范圍為6.6 V，因此，預測峰峰值分辨率為 預測濕度通道和溫度通道的系統噪聲性能 濕度傳感器和RTD直接連到ADC輸入，因此，短路輸入無噪聲碼分辨率主要取決于AD7124-8噪聲，其為570 nV rms，相當于3.76 uV p-p。這樣，無噪聲碼分辨率計算如下： 實際系統噪聲性能 對于pH值測量，實際系統峰峰值噪聲和分辨率的確定方法是短接輸入pH探針BNC連接器，并采集1000個樣本。如圖3中的直方圖所示，系統峰峰值分辨率為18.2位，而預測值為20.38位。測量在滿功率模式下進行，采樣速率為25 SPS，使用后置濾波器。 圖3. pH通道的短路輸入直方圖 對于濕度測量，實際系統峰峰值噪聲和分辨率的確定方法是短接濕度傳感器連接器的輸入，并采集1000個樣本。如圖4中的直方圖所示，系統無噪聲碼分辨率為21.2位。測量在滿功率模式下進行，采樣速率為25 SPS，使用后置濾波器。 圖4. 濕度傳感器通道的短路輸入直方圖 土壤濕度測試可重復性測量 表2和表3顯示了探測某多沙土壤同一樣本的濕度傳感器數據輸出。評估期間使用了Decagon EC-5和Vegetronix VH400濕度傳感器。用各傳感器探測土壤7次，然后計算平均值。結果顯示VWC測量的可重復性好于1%。 表2. Decagon EC-5濕度傳感器輸出和VWC 測試 輸出(mV) VWC (%) 1 544.70 9.03 2 542.10 8.78 3 546.57 9.22 4 537.74 8.34 5 546.74 9.24 6 542.89 8.85 7 552.70 9.83 平均值 544.78 9.04 表3. Vegetronix VH400濕度傳感器輸出和VWC 測試 輸出(V) VWC (%) 1 1.04 0.39 2 0.93 8.28 3 1.01 9.07 4 1.04 9.42 5 1.03 9.30 6 0.99 8.86 7 1.06 9.63 平均值 1.01 9.14 確定土壤水分含量 VWC定義為單位體積土壤中水的體積： 其中： θ為體積含水量(cm3/cm3)。 VW為水的體積(cm3)。 VT為土壤樣本總體積(cm3)。 要獨立于電子測量確定土壤樣本的VWC，可使用下述方法。先準備好一個燒杯和一臺天平。 獲得一份土壤樣本 稱量無土壤的燒杯 將已知體積的濕潤土壤放入燒杯中 稱量含濕潤土壤的燒杯（克） 利用烤箱在110°C下烘烤土壤24小時 稱量干燥土壤（克） 從土壤中除去的水的質量為： 其中： mW為土壤中水的質量。 mWET為濕潤土壤的質量。 mDRY為干燥土壤的質量。 水的密度為 1 g/cm3，因此水的質量在數值上等于其體積。該值用于確定VWC。 Decagon Devices應用筆記“校準ECH2O土壤濕度傳感器”中詳細說明了此程序。 表4顯示的是將已知體積的水加入之前已在烤箱中烘干的多沙土壤樣本后計算的VWC。 使用Decagon EC-5和Vegetronix VH400傳感器來測量五種水濃度水平下的VWC。使用廠家推薦公式將各傳感器的電壓輸出轉換為表中所示的VWC。 圖5顯示了EC-5濕度傳感器的VWC響應（表5），與之對比的是基于實際水體積計算得到的值（表4）。請注意，最差情況誤差約為3%。 表4. 使用已知體積的土壤和水的VWC計算值 干燥土壤體積 (cm3) 水體積 (cm3) VWC計算值(%) 187.136 18.672 9.98 187.136 31.531 16.85 187.136 46.789 25.00 187.136 58.8 31.42 187.136 71.089 37.99 表5. 使用Decagon EC-5傳感器測得的VWC值 干燥土壤體積(cm3) 水體積 (cm3) 傳感器輸出(mV) 輸出轉換為VWC (%) 187.136 18.672 548 9.3616 187.136 31.531 593 13.8256 187.136 46.789 677 22.1584 187.136 58.8 779 32.2768 187.136 71.089 849 39.2208 圖5. 實際VWC與Decagon EC-5傳感器測得的VWC （利用數據手冊給出的公式） 針對土壤情況進行校準可提高濕度傳感器精度。不同傳感器通常都會利用特定土壤進行校準，但由于土壤容重、礦物質、質地和鹽度的不同，精度可能會有變化。 傳感器數據手冊一般會給出用于將傳感器輸出轉換為VWC的推薦公式。然而，如果從實際被測土壤獲得多個VWC數據點，并生成一個更能準確擬合這些數據點的轉換公式，有時候是可以提高精度的。對于特定傳感器，根據實際VWC測量結果得出特定土壤的公式之前，應利用傳感器數據手冊中的推薦公式計算誤差。在選定土壤要求的范圍內，如果誤差為2%或更小，則無必要產生一個土壤特定的公式。如果誤差大于幾個百分點，則基于最小二乘法擬合直線的土壤特定公式可以降低誤差。某些情況下，可能需要一個多項式函數來獲得所需的精度，具體取決于特定傳感器的傳遞函數。 對于Decagon EC-5傳感器，圖6所示土壤特定直線擬合（使用最小二乘法）給出了很好的結果，最大誤差從3%降至1.8%。 圖6. 實際VWC與Decagon EC-5傳感器測得的VWC （利用特定土壤的最佳擬合公式） 表6顯示了使用Vegetronix VH400濕度傳感器測得的VWC。表6和表4中的數據繪制在圖7上。 表6. 使用Vegetronix VH400傳感器測得的VWC值 干燥土壤體積 (cm3) 水體積 (cm3) 傳感器輸出 (V) 輸出轉換為VWC (%) 187.136 18.672 1.046 9.46 187.136 31.531 1.362 16.55 187.136 46.789 1.474 23.36992 187.136 58.8 1.673 32.93784 187.136 71.089 1.73 35.6784 圖7. 實際VWC與Vegetronix VH400傳感器測得的VWC （利用數據手冊給出的公式） 圖7表明，使用數據手冊所示公式得到的誤差僅有2.3%；因此，使用VH400傳感器測量該被測土壤無需土壤特定的公式。 如需獲得包括原理圖、布局布線和物料清單在內的EVAL-CN0398-ARDZ評估板完整文檔，請參閱CN-0398設計支持包(www.analog.com/CN0398-DesignSupport)。 CN0398 帶溫度補償功能的土壤濕度和pH值測量系統 CN0398 | circuit info and reference circuit Soil Moisture and pH Measurement System with Temperature Compensation | Analog Devices 圖1所示電路是一種完整的單電源、低功耗、高精度解決方案，用于土壤濕度和pH值測量，包含溫度補償功能。該電路針對容性土壤濕度傳感器進行了優化，這類傳感器對水的鹽度不敏感，并且不會隨著時間推移而受到侵蝕。 該電路還能測量土壤pH值，此功能適合多種不同應用。 電路所需總電流（不包括濕度傳感器）最大值僅為1.95 mA。利用脈寬調制(PWM)信號，僅在需要使用濕度傳感器的很短時間內使能傳感器，可以最大程度地減少其所需額外功耗。 印刷電路板(PCB)采用Arduino兼容擴展板尺寸設計，并與Arduino兼容平臺板EVAL-ADICUP360對接，有助于快速開發原型。 圖1. 簡化電路框圖 CN0398 The circuit is a single-supply, low power, high precision complete solution for soil moisture and pH measurements, including temperature compensation.

• 完整的土壤濕度、pH值和溫度測量
• 低功耗
• 尺寸兼容Arduino

(analog)