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标题: 温度测量系统对ADC的要求 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 13:25
标题: 温度测量系统对ADC的要求

为具体应用选择适当的温度传感器取决于待测温度范围和所需的精度。系统精度取决于温度传感器的精度和对传感器的输出数字化的模数转换器(ADC)的性能。多数情况下，由于传感器信号非常微弱，因此需要高分辨率ADC。ΣΔ ADC具有高分辨率，并且这种ADC通常包含温度测量系统所需的内置电路，例如激励电流源。本文主要介绍可以利用的温度传感器[热电偶、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻器与热敏二极管]和连接传感器与ADC所需的电路，以及对ADC的性能要求。

　　热电偶

　　热电偶由两种不同类型的金属组成。当温度高于零摄氏度时，在两种金属的连接处会产生温差电压，电压大小取决于温度相对于零摄氏度的偏差。热电偶具有体积小、工作温度范围宽等优点，非常适合恶劣环境中的极高温度(高达2300℃)测量。但是，热电偶的输出为mV级，因此需要经过精密放大才能作进一步处理。不同类型热电偶的灵敏度也不一样，一般仅为每摄氏度几mV，因此需要高分辨率、低噪声ADC。

　　图1给出利用3通道、16/24位AD7792/AD7793 ΣΔ ADC的热电偶系统。其片内仪表放大器首先对热电偶电压进行放大，然后通过ADC对放大的电压信号进行模数转换。热电偶产生的电压偏置在地电平附近。片内激励电压源将其偏置到放大器线性范围以内，因此系统能够利用单电源工作。这种低噪声、低漂移、片内带隙基准电压源，能够确保模数转换的精度，从而保证整个温度测量系统的精度。

　　电阻温度探测器

　　电阻温度探测器的电阻随着温度变化而变化。电阻温度探测器的常用材料是镍、铜、铂，其中电阻在100Ω ~ 1000Ω之间的铂电阻温度探测器是最常见的。电阻温度探测器适用于在-200℃ ~ +800℃的整个温度范围内具有接近线性响应的温度测量。一只电阻温度探测器包括3根或4根导线。

　　热敏电阻器

　　热敏电阻器的电阻也随着温度的变化而变化，但是其精度不如电阻温度探测器。热敏电阻通常使用单电流电源。同使用电阻温度探测器一样，一个精密电阻器用于基准电压源，一个电流源驱动该精密基准电阻器和热敏电阻器，这意味着可以实现一种比率配置。这也说明电流源的精度并不重要，因为电流源温漂既影响热敏电阻器，同时也影响基准电阻器，因此抵消了漂移影响。在热电偶应用中，通常利用热敏电阻器进行冷接点补偿。热敏电阻器的标称电阻值通常为1000Ω或更高。

　　热敏二极管

　　也可以用热敏二极管进行温度测量：通过测量二极管（一般为晶体管的基极到发射极）的电压计算温度。采用两种不同的电流分别通过热敏二极管，测量在两种情况下从基极到发射极的电压。由于知道电流的比率，因此可以通过测量从基极到发射极电压在两种不同电流情况下的差，从而准确计算温度。例如，我们将AD7792/AD7793的激励电流源设置为10mA 与210mA (也可以选择其它值)。首先，让210mA的激励电流通过二极管，利用ADC测量从基极到发射极的电压。然后，利用10mA 激励电流重复上述测量。这意味着电流降低到原来的1/21。在测量中电流绝对值并不重要，但是要求电流比率固定。

　　
　　对ADC的要求

　　温度测量系统通常是低速(每秒采样最多100次)的，因此窄带ADC比较适合；但是，ADC必须具有高分辨率。窄带与高分辨率的要求，使得ΣΔ ADC成为这种应用的理想选择。在这种结构下，开关电容器前端模拟输入连续采样，采样频率明显高于有用带宽。

　　ΣΔ调节器将采样的输入信号转换为数字脉冲串，其“1”的密度包括数字量信息。ΣΔ调节其还能进行噪声整形。通过噪声整形，有用带宽内的噪声被移到有用带宽以外，到达无用的频率范围。调节器的阶数越高，在有用带宽内对噪声整形的作用就越明显。但是，较高阶调节器容易不稳定。因此，必须在调节器阶数与稳定性之间进行权衡。在窄带ΣΔ ADC中，通常使用二阶或三阶调节器，器件稳定性良好。

　　调节器后面的数字滤波器对调节器输出进行采样，给出有效的数据转换结果。该滤波器还能滤除带外噪声。数字滤波器图像频率会出现在主时钟频率的多倍频处，因此，利用ΣΔ结构意味着所需的唯一外部元件是一个简单的RC滤波器，用于消除主时钟频率倍频处的数字滤波器镜像频率。ΣΔ结构使24位 ADC具有20.5字节的峰峰分辨率(稳定或无闪烁的字节)。

　　增益

　　通常，来自温度传感器的信号都非常微弱，对于几度的小范围温度变化，热电偶与电阻温度检测器等温度传感器产生的相应模拟电压变化最多仅为数百mV。因此，典型满量程模拟输出电压只在mV范围内。如果不采用增益级电路，ADC的满度范围通常为±VREF。为了使ADC的性能最优化，应当使用其大部分的模拟输入范围。在使用这类传感器测量温度时，增益的重要性异常突出。要是没有任何增益，则ADC满度范围只有一小部分使用，这将损失分辨率。

　　仪表放大器允许开发低噪声、低温漂的增益级电路。低噪声与低温漂非常关键，可以保证因温度变化引起的电压变化大于仪表放大器的噪声电压。AD7793的增益可以设置为1, 2, 4, 8, 16, 32, 64或128。利用128倍的最大增益设置以及产生的基准电压源，AD7793的满度范围是±1.17 mV/128 mV或者大约±10 mV。这样，ADC的高分辨率特点保证无需任何外部放大器元件就可以达到最佳效果。
　　对50Hz/60Hz频率的抑制

　　ΣΔ ADC的内置数字滤波器对于抑制带外量化噪声以及其它噪声源非常有效。噪声源之一是电力网供电系统产生的频率。当电力网为器件供电时，将产生50 Hz及其倍频的供电系统频率(在欧洲)，或产生60 Hz及其倍频的供电系统频率(在美国)。窄带ADC主要采用sinc滤波器。AD7793有4个滤波器选项，ADC可以根据更新速率自动选择需要使用的滤波器种类。在16.6 Hz的更新速率下使用sinc3滤波器。如图2所示，sinc3滤波器在频谱内存在凹槽。当输出字速率为16.6 Hz时，可以利用这些凹槽同时抑制50 Hz或60 Hz的频率。

　　斩波器

　　系统中总是会出现诸如失调电压和其它低频误差等不利因素，温度测量系统也不例外。斩波器是AD7793的一个固有特性，可以用于消除这些误差信号。斩波器的工作原理就是在ADC的输入多路复用器处交替地倒相(或削波)。然后，对每次斩波相位(正相位和负相位)进行一次模数转换。接着，用数字滤波器对这两次转换结果取平均。这样，就消除了ADC内出现的任何失调误差，更重要的是，将温度对失调漂移的影响降到最低。

　　低功耗

　　很多温度检测系统都不采用电力供电。在一些工业应用中，例如工厂中的温度监视，包括传感器、ADC和微控制器在内的整个温度系统都在独立的电路板内，采用4 mA ~20 mA的环路供电。因此，独立电路板的最大电流预算为4mA。在便携式系统采用电池供电这类应用中，低功耗很重要，但高性能也很重要。

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