溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求

來(lái)源：ADI公司 作者：Mary McCarthy，Eamonn Dillon

1引言

測(cè)量溫度的傳感器有幾種。為具體應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅魅Q于待測(cè)溫度范圍以及所需的精度。系統(tǒng)精度取決于溫度傳感器的精度以及對(duì)傳感器輸出進(jìn)行數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能。在多數(shù)情況下，由于傳感器信號(hào)非常微弱，因此需要高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有高分辨率，因而非常適合這種系統(tǒng)，而且這種轉(zhuǎn)換器往往包含溫度測(cè)量系統(tǒng)所需的內(nèi)置電路，如激勵(lì)電流源。本應(yīng)用注釋主要介紹可以利用的溫度傳感器（熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器（RTD）、熱敏電阻器與熱敏二極管）以及連接傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的電路，并介紹對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能要求。

熱電偶

熱電偶由兩種不同類型的金屬組成。當(dāng)溫度高于零攝氏度時(shí)，在兩種金屬的連接處會(huì)產(chǎn)生溫差電壓，電壓大小取決于溫度相對(duì)于零攝氏度的偏差。熱電偶具有體積小、堅(jiān)固耐用、價(jià)格相對(duì)便宜、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，非常適合惡劣環(huán)境中的極高溫度（高達(dá)2300°C）測(cè)量。不過，熱電偶的輸出為毫伏級(jí)，因此需要經(jīng)過精密放大才能進(jìn)行進(jìn)一步處理。不同類型熱電偶的靈敏度也不一樣，一般僅為每攝氏度幾毫伏，因此為了準(zhǔn)確讀出溫度，需要高分辨率、低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)熱電偶與印制電路板的銅印刷線連接時(shí)，在熱電偶與銅印刷線連接的地方會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)熱電偶接點(diǎn)。其結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)抵消熱電偶電壓的電壓。為了補(bǔ)償這個(gè)反向電壓，我們?cè)跓犭娕?銅線連接點(diǎn)放置一個(gè)溫度傳感器，測(cè)量連接處的溫度。這就是所謂的冷接點(diǎn)。

圖1給出利用3通道、16/24位 AD7792/AD7793Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(也可以使用6通道AD7794/AD7795)的熱電偶系統(tǒng)。其片內(nèi)儀表放大器首先對(duì)熱電偶電壓進(jìn)行放大，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)放大的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。熱電偶產(chǎn)生的電壓偏置在地電平附近。片內(nèi)激勵(lì)電壓源將其偏置到放大器線性范圍以內(nèi)，因此系統(tǒng)能夠利用單電源工作。這種低噪聲、低漂移、片內(nèi)、帶隙基準(zhǔn)電壓源，能夠確保模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，從而保證整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)的精度。


圖1.熱電偶溫度系統(tǒng)的模擬電路部分

冷接點(diǎn)的溫度是利用電阻溫度探測(cè)器(RTD)或熱敏電阻器（圖1中的RT）進(jìn)行測(cè)量的。這兩種器件的電阻都隨著溫度而變化。片內(nèi)恒流源提供所需的激勵(lì)電流。在這個(gè)測(cè)量中使用了比率配置方式，也就是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源與精密電阻器使用相同的激勵(lì)電流。采用比率配置方式，可以使冷接點(diǎn)的溫度測(cè)量不受激勵(lì)電流的影響，因?yàn)榧?lì)電流的變化可以使傳感器產(chǎn)生的電壓變化量與精密電阻器產(chǎn)生的電壓變化量完全相同，因此對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換沒有任何影響。

電阻溫度探測(cè)器

電阻溫度探測(cè)器的電阻隨著溫度的變化而變化。電阻溫度探測(cè)器的常用材料是鎳、銅、鉑，其中電阻在100Ω～1000Ω之間的鉑電阻溫度探測(cè)器是最常見的。電阻溫度探測(cè)器適用于在–200°C～+800°C的整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有接近線性響應(yīng)的溫度測(cè)量。一只電阻溫度探測(cè)器包括3根或4根導(dǎo)線組成。圖 2給出3線電阻溫度探測(cè)器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的連接示意圖，其中RL1、RL2、RL3分別代表電阻溫度探測(cè)器引線的電阻。


圖2.電阻溫度探測(cè)器溫度系統(tǒng)的模擬電路部分

為了實(shí)現(xiàn)3線電阻溫度探測(cè)器配置的完全最優(yōu)化，需要兩個(gè)完全匹配的電流源。在這個(gè)3線配置中，如果只使用一個(gè)電流源(IOUT1)，則引線電阻將帶來(lái)誤差，因?yàn)榧?lì)電流流經(jīng)RL1時(shí)會(huì)在AIN1(+)與AIN1(–)之間產(chǎn)生電壓誤差。我們利用第二個(gè)電阻溫度探測(cè)器電流源(IOUT2)對(duì)激勵(lì)電流通過 RL1引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。每個(gè)電流源的絕對(duì)精度并不重要，但兩個(gè)電流源的完全匹配非常關(guān)鍵。第二個(gè)電阻溫度探測(cè)器電流通過RL2。假設(shè)RL1與RL2相等（引線通常由同樣材料制成且長(zhǎng)度相等），且IOUT1與IOUT2匹配，使RL2兩端誤差電壓將與RL1兩端誤差電壓抵消，因此AIN1(+)與 AIN1(–)之間不會(huì)產(chǎn)生誤差電壓。雖然RL3將產(chǎn)生兩倍的電壓,但這是共模電壓，因此不會(huì)帶來(lái)誤差。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有差分模擬輸入并接受差分基準(zhǔn)電壓，可以實(shí)現(xiàn)比率配置。在圖2中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓也是由匹配的電流源產(chǎn)生的。這個(gè)基準(zhǔn)電壓由精密電阻器（RREF）兩端的電壓產(chǎn)生，并用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分參考輸入端。這個(gè)方案將確保模擬輸入電壓與基準(zhǔn)電壓成比率。因電阻溫度探測(cè)器電流源溫漂而引起的模擬輸入電壓的任何誤差，都可以通過基準(zhǔn)電壓的偏差進(jìn)行補(bǔ)償。

熱敏電阻器

熱敏電阻器的電阻也隨著溫度的變化而變化，但是其精度不如電阻溫度探測(cè)器。熱敏電阻通常使用單電流電源。同使用電阻溫度探測(cè)器一樣，一個(gè)精密電阻器用于基準(zhǔn)電壓源，一個(gè)電流源驅(qū)動(dòng)該精密基準(zhǔn)電阻器和熱敏電阻器，這意味著可以實(shí)現(xiàn)一種比率配置。這也說明電流源的精度并不重要，因?yàn)殡娏髟礈仄扔绊憻崦綦娮杵鳎瑫r(shí)也影響基準(zhǔn)電阻器，因此抵消了漂移影響。在熱電偶應(yīng)用中，通常利用熱敏電阻器進(jìn)行冷接點(diǎn)補(bǔ)償。熱敏電阻器的標(biāo)稱電阻通常為1000Ω或更高以上。

熱敏二極管

當(dāng)然，也可以用熱敏二極管進(jìn)行溫度測(cè)量。在這類系統(tǒng)中，通過測(cè)量二極管接法晶體管的基極-發(fā)射極電壓來(lái)計(jì)算溫度。采用兩種不同的電流分別通過熱敏二極管。測(cè)量在每種情況下的基極-發(fā)射極電壓。由于知道電流的比率，因此可以通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同電流情況下的基極-發(fā)射極電壓差來(lái)精確地計(jì)算溫度。

圖3.熱敏二極管溫度系統(tǒng)模擬電路部分

在圖3中，我們將AD7792/AD7793的激勵(lì)電流源設(shè)置為10μA與210μA(也可以選擇其他值)。首先，讓210μA的激勵(lì)電流通過二極管，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量基極-發(fā)射極電壓。然后，利用10μA激勵(lì)電流重復(fù)上述測(cè)量。這意味著電流降低到原來(lái)的1/21。在測(cè)量中電流絕對(duì)值并不重要，但是要求電流比率固定。

由于AD7792/AD7793將電流源集成在芯片中，因此能夠保證電流源的精確匹配，從而使電流比率保持不變。為了消除影響溫度測(cè)量的寄生誤差，需要恒定電流比率。測(cè)量的兩個(gè)基極-發(fā)射極電壓讀數(shù)被傳輸至微控制器，然后根據(jù)以下公式計(jì)算出溫度。


其中:
n=理想因子=被測(cè)量,
K=玻爾茲曼常數(shù),
N=IC2與IC1的比率,
Q=電子電荷量,
ΔVBE由模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量。

2對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求

結(jié)構(gòu)

溫度測(cè)量系統(tǒng)通常是低速(每秒采樣最多100個(gè))的，因此窄帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器比較適合；但是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須具有高分辨率。窄帶與高分辨率的要求，使得Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器成為這種應(yīng)用的理想選擇。

在這種結(jié)構(gòu)下，開關(guān)電容器前端模擬輸入連續(xù)采樣，采樣頻率明顯高于有用帶寬（參見圖4）。例如，AD7793有一個(gè)內(nèi)置64kHz時(shí)鐘。待測(cè)的模擬信號(hào)接近直流,但是以K倍信號(hào)頻率(KfS)進(jìn)行過采樣，從而降低了基帶內(nèi)的量化噪聲。量化噪聲從直流一直分布到半采樣頻率(KfS/2)。因此，采用提高的采樣頻率增大了量化噪聲分布的范圍，降低了有用頻帶內(nèi)的噪聲。

圖4.過取樣、數(shù)字濾波、噪聲整形和采樣抽取對(duì)噪聲頻譜的影響

Σ- Δ調(diào)節(jié)器將采樣的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖串，其“1”的密度包括數(shù)字量信息。Σ-Δ調(diào)節(jié)其還能進(jìn)行噪聲整形。通過噪聲整形，有用帶寬內(nèi)的噪聲被移到有用帶寬以外，到達(dá)無(wú)用的頻率范圍。調(diào)節(jié)器的階數(shù)越高，在有用帶寬內(nèi)對(duì)噪聲整形的作用就越明顯。但是，較高階調(diào)節(jié)器容易不穩(wěn)定。因此，必須在調(diào)節(jié)器階數(shù)與穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡。在窄帶Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，通常使用二階或三階調(diào)節(jié)器，因此，器件穩(wěn)定性良好。

調(diào)節(jié)器后面的數(shù)字濾波器對(duì)調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行采樣，以給出有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。該濾波器還能濾除帶外噪聲。數(shù)字濾波器圖像頻率會(huì)出現(xiàn)在主時(shí)鐘頻率的多倍頻處。因此，利用Σ-Δ結(jié)構(gòu)意味著所需的唯一外部元件是一個(gè)簡(jiǎn)單的R-C濾波器，用于消除主時(shí)鐘頻率倍頻處的數(shù)字濾波器鏡像頻率。Σ-Δ結(jié)構(gòu)使24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有20.5字節(jié)的峰-峰分辨率 (20.5穩(wěn)定或無(wú)閃爍字節(jié))。

增益

通常，來(lái)自溫度傳感器的信號(hào)都非常微弱，對(duì)于幾度的小范圍溫度變化，熱電偶與電阻溫度檢測(cè)器等溫度傳感器產(chǎn)生的相應(yīng)模擬電壓變化最多僅為數(shù)百毫伏。因此，典型滿度模擬輸出電壓只在mV范圍內(nèi)。如果不采用增益級(jí)電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿度范圍通常為±VREF。為了使模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能最優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)使用其大部分的模擬輸入范圍。在使用這類傳感器測(cè)量溫度時(shí)，增益的重要性異常突出。要是沒有任何增益，則模數(shù)轉(zhuǎn)換器滿度范圍只有一小部分使用，這將損失分辨率。

儀表放大器允許開發(fā)低噪聲、低溫漂的增益級(jí)電路。低噪聲與低溫漂非常關(guān)鍵，可以保證因溫度變化引起的電壓變化大于儀表放大器的噪聲電壓。AD7793的增益可以設(shè)置為1,2,4, 8,16,32,64,或128。利用128倍的最大增益設(shè)置以及產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓源，AD7793的滿度范圍是±1.17mV/128mV或者大約±10mV。這樣，ADC的高分辨率特點(diǎn)保證無(wú)需任何外部放大器元件就可以達(dá)到最佳效果。

對(duì)50Hz/60Hz頻率的抑制

Σ- Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的內(nèi)置數(shù)字濾波器對(duì)于抑制帶外量化噪聲以及其他噪聲源非常有效。噪聲源之一是電力網(wǎng)供電系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率。當(dāng)電力網(wǎng)為器件供電時(shí)，將產(chǎn)生 50Hz及其倍頻的供電系統(tǒng)頻率（在歐洲），或產(chǎn)生60Hz及其倍頻的供電系統(tǒng)頻率（在美國(guó)）。窄帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要采用sinc濾波器。AD7793 有4個(gè)濾波器選項(xiàng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)更新速率自動(dòng)選擇需要使用的濾波器種類。在16.6Hz的更新速率使用sinc3濾波器。如圖5所示，sinc3 濾波器在頻譜內(nèi)存在凹槽。當(dāng)輸出字速率為16.6Hz時(shí)，可以利用這些凹槽同時(shí)抑制50Hz或60Hz的頻率。

圖5.更新速率等于16.6Hz（斬波頻率）時(shí)的頻率響應(yīng)

斬波器

系統(tǒng)中總是會(huì)出現(xiàn)諸如失調(diào)電壓和其他低頻誤差等不利因素，溫度測(cè)量系統(tǒng)也不例外。斬波器是AD7793的一個(gè)固有特性，可以用于消除這些誤差信號(hào)。斬波器的工作原理就是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入多路復(fù)用器處交替地倒相（或削波）。然后，對(duì)每次斬波相位（正相位和負(fù)相位）進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。接著，用數(shù)字濾波器對(duì)這兩次轉(zhuǎn)換結(jié)果取平均。這樣，就消除了模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)出現(xiàn)的任何失調(diào)誤差，更重要的是，將溫度對(duì)失調(diào)漂移的影響降到最低。

低功耗

很多溫度檢測(cè)系統(tǒng)都不采用電力供電。在一些工業(yè)應(yīng)用中，如工廠中的溫度監(jiān)視，包括傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及微控制器在內(nèi)的整個(gè)溫度系統(tǒng)都在獨(dú)立的電路板內(nèi)，采用4~20mA的環(huán)路供電。因此，獨(dú)立電路板的最大電流預(yù)算為4mA。便攜式設(shè)備，如礦山中使用的便攜式瓦斯檢測(cè)儀，需要同時(shí)測(cè)量溫度和瓦斯，這類便攜式系統(tǒng)采用電池供電，其目的是延長(zhǎng)電池壽命。在這類應(yīng)用中，低功耗很重要，但高性能也很重要。AD7933的最大功耗電流為500mA，所以它能持續(xù)滿足溫度系統(tǒng)的高性能指標(biāo)要求，同時(shí)消耗相當(dāng)?shù)偷碾娏鳌?

3結(jié)束語(yǔ)

溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)的需求相當(dāng)嚴(yán)格。每種類型溫度傳感器需要的元件都不同，但是由這些傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)通常都非常小。因此，需要利用低噪聲的增益級(jí)電路對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大，這樣，放大器的噪聲不至于淹沒傳感器的微弱信號(hào)。放大器后面需要高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以便將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。Σ−Δ 體系結(jié)構(gòu)很適合這類模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，利用這種體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出具有高分辨率、高精密度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。除了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和增益級(jí)，溫度測(cè)量系統(tǒng)還需要其它元件，如激勵(lì)電流源和基準(zhǔn)電壓源。另外，這些元件必須具有低漂移、低噪聲的性能，這樣才不會(huì)降低系統(tǒng)精度。失調(diào)電壓等初始誤差可以在系統(tǒng)外校準(zhǔn)，但是所用元件的溫度漂移必須很低，以避免引入誤差。最后，所有便攜式應(yīng)用中都需要考慮功耗，以前采用電力網(wǎng)供電的許多系統(tǒng)現(xiàn)在都采用獨(dú)立的電路板供電，因此功耗問題就變得越來(lái)越重要。

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