pH计研制与开发

　　1 引 言

　　H 计是一种测量溶液酸碱度精密电化学分析仪器，显示被测溶液的酸度，应用很广泛，例如在石油化工，食品，酿造，医疗，制药，造纸都有应用。当前我国的研制水平与世界先进水平还有一段距离，其中较为先进的是瑞士的梅特勒-拖利多型pH计，其经济方便，精度达到±0.01ph，温度补偿，自动100度，本文继承了其某些优点，在电路设计上采用了精度更高的放大器CA3140，及 A/D 嵌入自身的 AduC812 单片机，外加 LED显示。

　　2 工作原理

　　玻璃电极和参考电极是 pH 计的重要组成部分，溶液的 pH 值是由它们与待测溶液组成的原电池的电动势决定的。玻璃电极是由特殊玻璃膜制成的，其厚度可以小于0.1mm,Ag-AgCl为参考电极在内部，由二者组成复合电极，之间是 pH 值一定的参比溶液，当玻璃电极放入待测溶液时，玻璃膜处于H+浓度一定内参比溶液和待测溶液之间，形成很薄的水化层，二者之间形成新的H+平衡，产生了膜电位Ew(玻璃电极)和En(参比电极)，则复合电极的 E=Ew_En，En恒定不变，E 与溶液 H+浓度有以下关系：

　　将上述参数写入单片机AduC812内存，在测量时由程序调用计算。

　　3 电路设计

　　3.1 系统结构框图

　　3.2  输入电路

　　玻璃电极在溶液中构成的原电源是一个高内阻信号源,大约 1012Ω，输入电流信号很小，达 pA 级，小电流信号精度比较高，这里选择了 CA3140 来组成差分放大器，兼有高电压PMOS管和高压二极管的优点,都集成在单独的芯片上，输入电路 PMOS 提供非常高的阻抗，可达到 T Ω级，并且具有非常快的响应速度，还具有自身补偿能力来达到稳定的放大增益，输出部分含有自身保护电路来保护由于负载短路造成的损害，非常适合此电路设计，本文采用 3 个 CA3140 来构成输入电路，前两个电压跟随，后面一个放大，电路图如下：

　　在上图中，U1和U2构成常称之为输入级或第一级，而U3构成输出级或第二级，依据输入电压约束条件，在Rg 上的电压为玻璃电极V1和参考电极V2电压之差;即V1-V2，依据输入电流约束条件，流过 R3与 Rg 是同一电流。由欧姆定律得：

　　输入级也称为差分输入，U3为一个差分放大器，因此有：

　　这表明总增益 A 是第一级 A1和第二级 A2的乘积。

　　因为增益取决于外部电阻的比值，所以采用合适的电阻，可以达到精确的放大增益，由于 U1 和 U2 工作在同相结构，它们的闭环输入电阻极高，同样 U3 的闭环输出电阻也很低，最后通过适当调节第二级中的电阻可以使共模抑制比 CMRR 达到最大，可以得到理想的 4 —20mA电流输出，送入单片机AduC812模/数端进行处理。