基于两款核心器件的土壤pH值监测电路系统设计
中国作为一个农业大国，960万平方公里的陆地国土上耕地仅占12.68%，用全国1/10左右的土地，养活了世界上1/5的人口。如何让农作物高量高质的生长是个不小的挑战。农作物的生长，不仅受环境气候、温度、湿度的影响，更重要的是土壤。土壤检测是现代农业生产中一项重要的工作，通过土壤检测我们可以知道土壤的墒情、养分含量、酸碱度、污染情况等等土壤品质相关的数据，而这些数据对于农业生产都是至关重要的。
土壤酸碱度又称为土壤pH值，是土壤重要的基本性质之一，通常用来衡量土壤酸碱反应的强弱。各种植物的生长都有自己适宜的土壤酸碱性，大多数植物在pH过高或过低的情况下都难以正常生长，而且有些病害只在一定的pH值范围内才能发作。适宜的土壤酸碱性有助于农业物的生长和减少病虫害，所以对土壤进行pH值监测十分有必要。ADI公司很早就注意到了化学分析和环境监测领域的市场需求，所以对于土壤pH值的监测也有独特的测量方案。
土壤的PH值测量可使用组合pH电极来测量pH值，它由一个参考电极和一个环绕其周围的同心玻璃电极组成。pH电极产生一个对应于土壤pH值的小直流电压，对测得的pH值进行评估，确定其是否在特定作物生长所需的pH值范围内。然后利用该方法，通过提升pH值（增加钙等酸性中和剂）来校正土壤酸度，或通过降低pH值（如增加硫）来降低碱度。
作为一直扮演着物理世界到数字世界桥梁的高性能模拟技术提供商，ADI公司提供的是一种完整的单电源、低功耗、高精度解决方案，可用于土壤湿度和pH值测量，并且包含温度补偿功能。
进行土壤湿度、pH值和温度测量的简化电路
PH值传感器信号调理放大器这样选
就pH传感器而言，它一般具有较高的阻抗输出（约1 GΩ），无法驱动ADC输出，所以需要一个高精度运算放大器来缓冲传感器输出。另外，由于传感器的输出阻抗高，为了最小化偏置误差，所以低运算放大器输入偏置电流就非常重要。ADI的解决方案中利用ADA4661-2精密运算放大器缓冲高阻抗pH值探针输出并驱动ADC。
ADA4661-2是一款双通道、精密、轨到轨输入/输出放大器，针对低功耗、高带宽和宽工作电源电压范围应用进行了优化，在电源电压为3.0 V、10 V和18 V时保证具有额定性能。该器件是3.3 V、5 V、10 V、12 V和15 V单电源以及±2.5 V、±3.3 V和±5 V双电源应用的理想选择。ADA4661-2采用ADI的DigiTrim®调整专利技术，失调电压非常低。此外，ADA4661-2的独特设计架构使器件工作在−VSY + 1.5 V至+VSY − 1.5 V共模电压范围时具有出色的电源抑制、共模抑制和失调电压性能。在土壤PH值测量方案中，为使流经高输出阻抗（约 1 GΩ） pH 传感器的偏置电流引起的失调误差最小，典型输入偏置电流为0.15 pA时，ADA4661-2的失调电压仅有150 µV。
此外，pH值的测量通常需要温度补偿，因为温度对pH传感器的灵敏度有重大影响。pH传感器在25°C时的理想输出为59.154 mV/pH，但会随着被测样本的实际温度而变化。在ADI的解决方案中，pH值测量的温度效应可利用RTD温度来补偿。如下图所示。由于AD7124的可编程励磁电流源，所以RTD可以直接连接到ADC。
RTD温度测量电路
土壤信息低失真采集，这款完整模拟前端很重要
该解决方案中，pH传感器测量的值首先需要被馈送至模数转换器(ADC)，然后ADC将它们以数字形式转发给一个微控制器，以进行进一步的信号处理。ADI的24位Σ-Δ ADC AD7124 就是一个非常适合该方案的ADC，该器件是一款适合高精度测量应用的全集成式低噪声模拟前端，其输入可以配置为差分输入或单端/伪差分输入。
AD7124集成完整的信号链，在单芯片中内置了24位Σ-Δ型ADC、可编程增益放大器(PGA)、精密基准电压源、基准电压缓冲器、电流源、温度传感器以及激励源，集成的诊断功能支持SIL兼容性，降低了对分立式诊断元件的需求，节省了宝贵的PCB面积。该器件可直接连接所有标准工业信号源和传感器输入，而功率要求却比同类器件降低40%。其一流的低功耗、低噪声和信号链集成度综合性能适合新型AFE，可用于一系列工业和仪器仪表应用，包括低功耗便携式设备。
总结
土壤pH值是影响土壤环境质量的一个重要指标，也是土壤肥力的重要影响因素之一，土壤的酸化会严重影响粮食安全和土地生产潜力的发挥。快速、准确获取土壤多种属性信息是土壤质量快速检测与评估以及现代精准农业发展的必然需求。ADI作为搭建现实世界与数字世界之间的智能化桥梁的高性能模拟技术提供商，一直在探索在农业智能物联网应用的落地方案。
ADI与多地机构进行过大量相关探索，解决方案由空气和土壤监测传感器组成，具备全面的环境检测能力，能够精准测量影响作物生长的微/纳气候条件。此外，这些探索展示了如何通过高效易用的手机应用传输此数据，使得信息更容易处理并据此采取措施，帮助农业从业人员认识到仪器仪表在帮助农场主作出更好的数据驱动决策方面的价值。
2020年全球的疫情和自然灾害正在给人类的粮食自主供应带来压力，ADI希望可使数据时代的农业生产更加智能，其优质的模拟器件以及完整的解决方案可以为土壤分类、利用、管理、改良和科学农业种植的提供准确的数据，有利于农业种植者及时了解土壤的物力状况，为合理施肥、改良土壤、加强土壤环境管理起到重要作用。