近段時間，全國各地集中出現霧霾天氣
，PM2.5爆表，口罩脫銷
，空氣嚴重汙染……一度成為網絡的熱門關鍵詞。一時之間，環境監測相關設備備受關注。日前，在一場由易維訊信息谘詢公司主辦的“2013產業和技術展望媒體研討會”上

，ADI公司亞太區儀表行業市場經理葉裕民（Brian）先生做了題為“環境監測中氣體監測的技術以及發展趨勢”的演講，這在眼下灰霾圍城的敏感時期
，引發了在場各媒體及嘉賓的高度關注。　　

圖1.ADI公司亞太區儀表行業市場經理葉裕民在“2013產業和技術展望媒體研討會”上分析氣體監測技術趨勢。

　　Brian指出，最近變得非常熱門的空氣汙染防治，主要是顆粒物PM (Particulate Matter) 監測。PM2.5是特指直徑小於或等於2.5微米的顆粒物，不易被阻擋，被吸入人體後會直接進入支氣管
，幹擾肺部的氣體交換，引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方麵的疾病。PM2.5是嚴重危害人體健康的汙染物已經被科學證實
，新的《環境空氣質量標準》頒布後， 至2012年9月，已有195個站點完成PM2.5儀器安裝調試並試運行，有138個站點開始正式PM2.5監測並發布數據。

　　前段時間全國各地PM2.5“爆表門”事件發生後

，對該行業來說無疑是一股猛烈的催化劑，將快速幫助該市場實現從試點到規模應用的轉變。根據“十二五”規劃
，全國將建設1500個PM2.5監測站點。僅此一項
，將產生20億元以上空氣監測儀器采購市場
，預計在近兩年內，僅該市場相關監測儀器市場規模將遠超百億元。

　　Brian還強調，其實氣體監測器除了用於空氣汙染防治，還有另一大重要應用就是工業安全領域。許多工業過程涉及到有毒化合物
，例如：製造塑料
、農用化學品和醫藥產品會用到氯氣；生產半導體需要使用磷化氫和砷化氫；燃燒消費類包裝材料會釋放出氰化氫。因此，了解有毒氣體濃度是否達到危險程度十分重要。

　　為符合人體對有毒氣體的暴露劑量限製, 氣體監測器需要檢測出ppm(百萬分之一)等級濃度的有毒氣體, 如一氧化碳。為此
，安全法規要求危險工作場所, 像是煤礦
、化學工廠等, 必須在一定空間內裝置有毒氣體與易爆氣體監測器；而便攜式氣體檢測器則可佩帶在工人的服裝上
，隨時隨地提供危險警報。  

圖2：包括氣體監測在內的各種環境監測設備市場高速成長，發展趨勢包括：便攜式（低功耗）、高可靠、易用、多功能等。

　　Brian指出：“環境監測是一個高成長的市場，因為大家都對身處的環境和危害身體健康
、生命安全的部分越來越重視。在氣體監測儀器產品方麵，很多中國儀器儀表中小企業產品賣得不錯，目前是一個百家爭鳴的狀況。”

　　氣體監測儀係統設計挑戰分析

　　圖3suoshizhezhongduqijianceqixitongkeyiranggongrensuishenxiedai，yekemeigeyidingjulianzhuangzaigongzuoxianchang。duoshubianxieshidigonghaoyouduqitijianceqidoushiyidianhuaxuechuanganqiweijichude，hangaigongyehuanjingzhongdeduoshuchangjianqiti
，biruyiyanghuatan(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)

、和二氧化氮(NO2)。與其他有毒氣體監測方法相比，電化學傳感器具有功耗低
、交叉靈敏度低、長期穩定性出色等特點，非常適合電池供電的便攜式應用。

圖3. 一種毒氣監測器的係統框圖
，其中包括氣體傳感器、恒壓電路
、I/V電路(電流-電壓轉換)
、微控製器
、供電電路
、接口和報警單元。

　　對於圖3中的電化學傳感器，工作電極(WE)檢測有毒氣體，並根據氣體濃度按比例產生電流，參考電極(RE)使工作電極的電壓保持穩定，以便傳感器工作於線性範圍之內，輔助電極(CE)可以使WE節點上產生的電流達到平衡。恒電位電路保持RE節點電壓，並提供CE節點產生的電流。I/V電路把電流信號轉換為電壓信號傳送至ADC(無論是集成在MCU中還是分立式)。包括LCD和鍵陣列在內的人機接口用於係統設置和顯示。LED、蜂鳴器和振動電機有助於提高警報的可靠性。

　　“氣(qi)體(ti)監(jian)測(ce)技(ji)術(shu)的(de)瓶(ping)頸(jing)在(zai)於(yu)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)本(ben)身(shen)。因(yin)為(wei)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)上(shang)的(de)限(xian)製(zhi)
，就(jiu)使(shi)得(de)可(ke)以(yi)輸(shu)入(ru)的(de)信(xin)號(hao)比(bi)較(jiao)微(wei)弱(ruo)。很(hen)多(duo)放(fang)大(da)器(qi)可(ke)能(neng)會(hui)有(you)誤(wu)差(cha)

，這(zhe)就(jiu)可(ke)能(neng)會(hui)對(dui)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)造(zao)成(cheng)問(wen)題(ti)。如(ru)果(guo)本(ben)身(shen)器(qi)件(jian)的(de)噪(zao)聲(sheng)誤(wu)差(cha)已(yi)經(jing)大(da)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)感(gan)測(ce)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)，那(na)麼(me)測(ce)量(liang)的(de)結(jie)果(guo)一(yi)定(ding)是(shi)不(bu)準(zhun)的(de)。”

　　Brian進一步指出：“如檢測PM2.5時(shi)可(ke)能(neng)會(hui)用(yong)光(guang)的(de)方(fang)式(shi)，即(ji)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)也(ye)會(hui)產(chan)生(sheng)非(fei)常(chang)小(xiao)的(de)電(dian)流(liu)
，還(hai)有(you)它(ta)本(ben)身(shen)的(de)功(gong)耗(hao)。而(er)我(wo)們(men)一(yi)旦(dan)安(an)置(zhi)了(le)氣(qi)體(ti)監(jian)測(ce)儀(yi)器(qi)之(zhi)後(hou)，通(tong)常(chang)希(xi)望(wang)能(neng)夠(gou)長(chang)時(shi)間(jian)的(de)穩(wen)定(ding)
，且(qie)不(bu)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)校(xiao)準(zhun)就(jiu)能(neng)夠(gou)長(chang)時(shi)間(jian)使(shi)用(yong)
，所(suo)以(yi)氣(qi)體(ti)監(jian)測(ce)儀(yi)器(qi)的(de)功(gong)耗(hao)和(he)可(ke)靠(kao)度(du)要(yao)很(hen)好(hao)。低(di)功(gong)耗(hao)、高可靠性
、降低噪聲是氣體監測器係統設計所麵臨的主要挑戰。”

　　1、 低功耗——由(you)於(yu)有(you)毒(du)氣(qi)體(ti)檢(jian)測(ce)需(xu)要(yao)在(zai)盡(jin)可(ke)能(neng)無(wu)需(xu)維(wei)護(hu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)持(chi)續(xu)地(di)對(dui)環(huan)境(jing)進(jin)行(xing)監(jian)控(kong)。因(yin)而(er)

，盡(jin)量(liang)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)對(dui)這(zhe)種(zhong)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)。由(you)於(yu)電(dian)化(hua)學(xue)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)隻(zhi)需(xu)極(ji)少(shao)電(dian)流(liu)即(ji)可(ke)工(gong)作(zuo)
，因(yin)此(ci)剩(sheng)下(xia)的(de)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)和(he)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)電(dian)路(lu)在(zai)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)低(di)功(gong)耗(hao)方(fang)麵(mian)發(fa)揮(hui)著(zhe)關(guan)鍵(jian)作(zuo)用(yong)。

　　2、 高可靠性——在某些工業環境中

，人的生命依賴於有毒氣體檢測器，為此這些檢測器需要高度可靠。高精度、抗幹擾能力以及出色的長期穩定性，這些都是設計過程中需要考慮的重要因素。為了實現這一目標，就需要精確
、強健、低漂移的信號鏈。

　　3、 降低噪聲——為了充分發揮電化學傳感器的動態範圍的優勢

，在設計信號鏈時需要考慮降噪問題。

　　高分辨率、低噪聲
、低功耗的ADI氣體監測最新方案

　　針對以上客戶在實際係統設計過程中所遇到的挑戰，ADI提供了完整多樣的信號鏈器件、最新的實驗室電路原理圖
、物料清單和演示電路板
，幫助客戶能夠以最快時間完成自己產品的設計並快速推向市場。相比較其他廠商的單片集成方案
，ADI的分立方案帶來了設計靈活的天然優勢。在一些幹擾較大的工作環境，其方案的靈活性還可以方便客戶完成抗幹擾的產品設計。

　　以一個ADI已經可以提供給客戶的實驗室電路CN0234——“使用電化學傳感器的單電源

、微功耗有毒氣體探測器”（http://www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0234/vc.html）為例：

　　1.低功耗——正常條件下，實驗室電路中的ADI放大器、dc-to-dc轉換器和基準電壓源需要消耗大約100μA的電流。單電源工作模式可以避免雙極電源的功耗浪費問題。

　　2.高可靠性——ADI致力於提供精確、低漂移的信號鏈產品，如放大器

、基準電壓源和ADC等，以幫助設計師構造出精確
、穩定的係統。相應的產品列於下麵的主產品表中。另外，運算放大器反饋回路上RC (R1
、R2、C1、C2)濾波器、串聯電阻Rs和反饋電容Cf將使係統保持穩定，以抵消氣體傳感器極大的電容(mF量級)帶來的影響。

　　3.降低噪聲——由於受傳感器限製的慢速響應(約30秒)，ADC之前的RC (R3
、C3)濾波器的截止頻率可以設為極低水平很低。不但可以降低係統的白噪聲，而且也可降低1/f噪聲，從而優化係統分辨率。關於ADC分辨率
，ADI提供多種選擇
，例如分立式16位ADC和集成在MCU裏的12位ADC。

　　CN0234實驗室電路的放大器是采用雙通道微功耗放大器ADA4505-2，具有軌對軌輸入與輸出擺幅，采用1.8 V～5 V單電源或±0.9 V～±2.5 V雙電源供電。這款低成本放大器采用最新的電路技術，具有零輸入交越失真
，出眾的PSRR與CMRR性能以及極低的偏置電流，工作時每個放大器的電源電流不到10μA。

　　該電路采用ADP2503 高效率
、低靜態電流開關電源升降壓轉換器，支持兩節AAA電池的單電源供電，在節能模式下的功耗僅為38 μA。芯片內部的高開關頻率讓外部器件最小化
，對小尺寸手持設備設計有很大幫助。因為外部有不同的電源，例如，鋰電池、堿性電池、鎳氫電池
、PCMCIA和USB等標準輸入電源
，針對不同的電壓，ADP2503/4都可以提供升降壓功能。ADP2503的輸入電壓可以從2.3V到5.5V。ADP2503有固定輸出版本和可調輸出來兩個選擇，內部的補償也減少了外部器件的數量。

　　AD7790為適合低頻測量應用的低功耗
、完整模擬前端ADC （內置片內儀表放大器）
，主要優勢是微小功耗、微小封裝、高分辨率、可通過軟件編程輸出數據速率。其典型功耗不到100 µA。AD7790在默認輸出數據速率為16.6 Hz時具有16位峰－峰值分辨率。AD7790采用內部時鍾工作，因此用戶不必為其提供時鍾源。輸出數據速率可通過軟件編程設置，可在9.5 Hz至120 Hz的範圍內變化。

圖4.ADI氣體檢測演示係統。

　　過往成功案例

　　“低功耗、長時間穩定度
、高分辨率(靈敏度)、設計彈性與高性價比是ADI產品的主要優勢。ADI還對氣體監測器客戶提供從構想、選型、設計到生產的完整解決方案手冊
；參考設計評估板
；深入的技術文章及高性價比的產品
；另外，客戶還可依據個別需求設計出優化產品。” Brian表示。

　　他還和與會媒體分享了ADI器件曾在氣體監測應用方麵的三個成功案例：

　　成功案例一(ADP7102/7104)：低噪聲、低壓差300mA/500mA線性電壓調節器(LDO)。

　　氣體檢測特別是對有毒氣體的檢測
，經常會用在如煤礦
、油井等這種特殊的危險場所，這樣的使用環境對氣體檢測儀器的可靠度要求極高，對儀器的誤判要求零容忍。所以用在其中的LDO必須低噪聲（ADP7102噪聲僅為15μV rms（固定輸出型））以提高係統分辨率，高電源抑製(PSRR：60 dB (10 kHz，VOUT = 3.3 V))。

　　其次，在極低噪聲的情況下，以前的電源方案通常需要一個非常大的外部電容，而這在煤礦防爆需求中是不被允許的。ADP7102/7104僅需一個1μF（相當於原來1/10的電容）小型陶瓷輸出電容，便可實現出色的線路與負載瞬態響應性能，這在煤礦防爆需求中特別重要；

　　ADP7102/7104在氣體檢測方麵的另外一個主要優勢是其寬輸入電壓範圍(3.3 V至20 V)可容許輸入電壓變動與長距離電源線的電壓耗損。

　　成功案例二（ADuCM360/361）：集成低功耗ARM CORTEX M3和Σ-Δ型ADC的低功耗精密模擬微控製器。其在氣體檢測儀器上的主要優勢包括：1、采用低功耗的標準ARM Cortex M3核心；2、高集成度；3
、高分辨率ADC。

　　ADuCM360/ADuCM361專為要求低功耗工作的電池供電應用而設計。微控製器內核可配置為普通工作模式，功耗290 μA/MHz（包括flash/ SRAM IDD）。在兩個ADC均打開（輸入緩衝器關閉）、PGA增益為4
、一個SPI端口打開和所有定時器均打開時，係統總電流消耗可以達到1 mA。

　　ADuCM360/ADuCM361通過直接編程控製可配置為許多低功耗工作模式，包括休眠模式（內部喚醒定時器有效），此時能耗僅為4 μA。在zai休xiu眠mian模mo式shi下xia，諸zhu如ru外wai部bu中zhong斷duan或huo內nei部bu喚huan醒xing定ding時shi器qi等deng外wai設she可ke以yi喚huan醒xing該gai器qi件jian。該gai模mo式shi可ke讓rang器qi件jian在zai功gong耗hao極ji低di的de情qing況kuang下xia運yun行xing，同tong時shi仍reng然ran響xiang應ying外wai部bu異yi步bu或huo周zhou期qi事shi件jian。

　　成功案例三（AD5410/5420/5421）：ADI常用於工業現場儀表的串行輸入、4~20毫安電流輸出DAC。當時客戶應用中需要一個4-20毫安的電流輸出DAC。而ADI的這個產品就是把高分辨率的DAC和4-20毫安的電流輸出結合起來。其在氣體檢測儀器上的主要優勢為：高集成度；高分辨率；多種選擇(12位DAC、16位DAC、環路供電)。例如有些客戶需要低功耗
，就可以選用環路供電，ADI也提供了專門為環路供電所設計的4-20毫安通信接口的DAC。