近段時間，全國各地集中出現霧霾天氣，PM2.5爆表，口罩脫銷，空氣嚴重污染……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咨詢公司主辦的“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污染防治，主要是顆粒物PM (Particulate Matter) 監測。PM2.5是特指直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，不易被阻擋，被吸入人體后會直接進入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。PM2.5是嚴重危害人體健康的污染物已經被科學證實，新的《環境空氣質量標準》頒布后， 至2012年9月，已有195個站點完成PM2.5儀器安裝調試并試運行，有138個站點開始正式PM2.5監測并發布數據。 前段時間全國各地PM2.5“爆表門”事件發生后，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于空氣污染防治，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：制造塑料、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制, 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面，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。” 氣體監測儀系統設計挑戰分析 圖3所示這種毒氣監測器系統可以讓工人隨身攜帶，也可每隔一定距離安裝在工作現場。多數便攜式低功耗有毒氣體檢測器都是以電化學傳感器為基礎的，涵蓋工業環境中的多數常見氣體，比如一氧化碳(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. 一種毒氣監測器的系統框圖，其中包括氣體傳感器、恒壓電路、I/V電路(電流-電壓轉換)、微控制器、供電電路、接口和報警單元。 對于圖3中的電化學傳感器，工作電極(WE)檢測有毒氣體，并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，以便傳感器工作于線性范圍之內，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，并提供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于系統設置和顯示。LED、蜂鳴器和振動電機有助于提高警報的可靠性。 “氣體監測技術的瓶頸在于氣體傳感器本身。因為氣體傳感器技術上的限制，就使得可以輸入的信號比較微弱。很多放大器可能會有誤差，這就可能會對偏置電流造成問題。如果本身器件的噪聲誤差已經大于傳感器感測到的信號，那么測量的結果一定是不準的。” Brian進一步指出：“如檢測PM2.5時可能會用光的方式，即光電二極管也會產生非常小的電流，還有它本身的功耗。而我們一旦安置了氣體監測儀器之后，通常希望能夠長時間的穩定，且不需要經過校準就能夠長時間使用，所以氣體監測儀器的功耗和可靠度要很好。低功耗、高可靠性、降低噪聲是氣體監測器系統設計所面臨的主要挑戰。” 1、 低功耗——由于有毒氣體檢測需要在盡可能無需維護的情況下持續地對環境進行監控。因而，盡量延長電池壽命對這種應用來說是非常重要的。由于電化學氣體傳感器只需極少電流即可工作，因此剩下的信號調理和數據傳輸電路在實現系統低功耗方面發揮著關鍵作用。 2、 高可靠性——在某些工業環境中，人的生命依賴于有毒氣體檢測器，為此這些檢測器需要高度可靠。高精度、抗干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范圍的優勢，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系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并快速推向市場。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。在一些干擾較大的工作環境，其方案的靈活性還可以方便客戶完成抗干擾的產品設計。 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致力于提供精確、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、穩定的系統。相應的產品列于下面的主產品表中。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將使系統保持穩定，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——由于受傳感器限制的慢速響應(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。不但可以降低系統的白噪聲，而且也可降低1/f噪聲，從而優化系統分辨率。關于ADC分辨率，ADI提供多種選擇，例如分立式16位ADC和集成在MCU里的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采用內部時鐘工作，因此用戶不必為其提供時鐘源。輸出數據速率可通過軟件編程設置，可在9.5 Hz至120 Hz的范圍內變化。
圖4.ADI氣體檢測演示系統。 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面的三個成功案例： 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））以提高系統分辨率，高電源抑制(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（相當于原來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在氣體檢測方面的另外一個主要優勢是其寬輸入電壓范圍(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制器。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。微控制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（輸入緩沖器關閉）、PGA增益為4、一個SPI端口打開和所有定時器均打開時，系統總電流消耗可以達到1 mA。 ADuCM360/ADuCM361通過直接編程控制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。在休眠模式下，諸如外部中斷或內部喚醒定時器等外設可以喚醒該器件。該模式可讓器件在功耗極低的情況下運行，同時仍然響應外部異步或周期事件。 成功案例三（AD5410/5420/5421）：ADI常用于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。 |
