一文搞定气相色谱信号与电源链全套选型
本文概述了用于环境质量监测的 气相色谱 传感器系统的工作原理及其关键组件。文中将介绍 气相色谱 法如何精确地分析与水和土壤污染相关的化合物，探讨 气相色谱 系统的主要组成部分，包括进气口、温度控制装置、检测器和电源子系统。此外，我们还将提供低噪声放大器、模数转换器(ADC)、基准电压和电源管理IC方面的建议，以实现高精度的测量。
废气监测在环境保护中扮演着至关重要的角色。随着工业废弃物的增加，一些挥发性有机化合物不断释放到空气中，严重影响自然环境和人类健康。
因此，环境监测已成为公众关注的焦点，旨在减少这些有害排放。然而，传统的传感器系统在速度和准确性方面无法满足当前的需求。更为严峻的挑战是，环境监测系统亟需进一步提升，以应对日益增长的高精度要求。本文概述了新兴气相色谱技术以及可用的解决方案。
气相色谱系统主要由进气系统、自动采样器系统、分离系统、控制系统、检测器系统和数据处理组成。图1所示为气相色谱法的功能框图。
图1. 气相色谱系统示意图。 气相色谱法的载气为流动相，受测样本为指定固定相，包括固体和液体混合物。随着载气的流动，固定相分离并依次流出色谱柱，随后进入检测器，产生离子流信号。通过在记录仪上放大到适当的振幅，这些小信号反映到色谱图的不同部分。图2所示为从混合物分离成两个单独样本的过程。绿色和紫色代表两个不同的样本，蓝色代表混合物。
图2. 分离的过程。 在图1的基础上， ADI 公司提供可适用于气相色谱信号与 电源链 的各种组件。这些组件能够很好地满足系统要求，并针对低功耗和噪声性能进行了优化。
进气系统
为了控制载气准确流经检测器系统以分离混合物，高精度必不可少，这一点可通过使用气体传感器来实现。气体传感器的输出多种多样，比如电流信号、4-20mA环路信号、电压信号等。图3所示为进气系统的信号链。
图3. 进气系统的信号链。 电流信号：ADA4530-1是一款飞安级输入偏置电流运算放大器，适合用作I/V（电流到电压）转换，同时提供超低输入偏置电流（飞安级），确保器件达到系统的精确性能目标。该器件还具有低失调电压、低失调漂移、低电压噪声和电流噪声特性，适合要求极低漏电流的应用。
图4. ADA4530-1数据手册。
将电流信号转换为电压信号后，使用 AD7175（24位、8/16通道、250 kSPS、Σ-Δ型ADC）可获得准确的结果。AD7175是一款低噪声、快速建立、多路复用、8/16通道（全差分/伪差分）Σ-Δ型ADC，可用于低带宽输入。
4-20mA信号采样：若要对通过4-20mA信号传输的空气传感器输出进行采样，AD4111ADC是理想选择，因为它集成了用于电流和电压采样的检测电阻，因此具有良好的通道匹配。该器件是一款低功耗、低噪声、24位Σ-Δ型ADC，它集成了一个模拟前端(AFE)，支持全差分或单端高阻抗(≥1 MΩ)双极性±10 V电压输入和0 mA至20 mA电流输入。该ADC还集成了关键的模拟和数字信号调理模块，可为使用的每个模拟输入通道配置八种单独的设置。对于完全建立的数据，AD4114的最大通道扫描速率为6.21 kSPS (161 µs)。该器件还有独特的电压输入开路检测功能，支持采用5 V或3.3 V单电源的系统级诊断。
电压信号：如果选择具有高分辨率的外部ADC，ADR4xxx系列（即ADR4525/ADR4530）可为该ADC提供高精度基准电压。或者，一种低成本的方案是使用微控制器单元(MCU)的内部ADC进行采样，但这可能会牺牲测量精度。
温度控制系统
温度由闭环系统控制：LT1241用于驱动以脉宽调制(PWM)作为热电冷却器(TEC)电路的MOSFET桥，从而控制热冷却器，而电阻温度检测器(RTD)回读温度，并连接到具有超低噪声、超低功耗的Σ-Δ型ADC AD7124。AD7124适用于温度测量应用。为了提高温度采集精度，该器件可支持2线式热电偶，并针对3线式RTD配置进行了优化，以满足不同客户的期望。
此外，提供集成了TEC控制器的ADN8835。图5所示为温度控制系统示意图。