1、 引言
測量溫度的傳感器有幾種。為具體應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)?a href="http://www.nxhydt.com/tags/溫度傳感器/" target="_blank">溫度傳感器取決于待測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量系統(tǒng)所需的內(nèi)置電路,如激勵電流源。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,在兩種金屬的連接處會產(chǎn)生溫差電壓,電壓大小取決于溫度相對于零攝氏度的偏差。熱電偶具有體積小、堅固耐用、價格相對便宜、工作溫度范圍寬等優(yōu)點,非常適合惡劣環(huán)境中的極高溫度(高達(dá)2300°C)測量。不過,熱電偶的輸出為毫伏級,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,在熱電偶與銅印刷線連接的地方會出現(xiàn)另一個熱電偶接點。其結(jié)果是產(chǎn)生一個抵消熱電偶電壓的電壓。為了補(bǔ)償這個反向電壓,我們在熱電偶-銅線連接點放置一個溫度傳感器,測量連接處的溫度。這就是所謂的冷接點。
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)儀表放大器首先對熱電偶電壓進(jìn)行放大,然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對放大的電壓信號進(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,從而保證整個溫度測量系統(tǒng)的精度。
冷接點的溫度是利用電阻溫度探測器(RTD)或熱敏電阻器(圖1中的RT)進(jìn)行測量的。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電流。在這個測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電流。采用比率配置方式,可以使冷接點的溫度測量不受激勵電流的影響,因為激勵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,因此對模數(shù)轉(zhuǎn)換沒有任何影響。
電阻溫度探測器
電阻溫度探測器的電阻隨著溫度的變化而變化。電阻溫度探測器的常用材料是鎳、銅、鉑,其中電阻在100 Ω~1000 Ω之間的鉑電阻溫度探測器是最常見的。電阻溫度探測器適用于在–200°C ~ +800°C的整個溫度范圍內(nèi)具有接近線性響應(yīng)的溫度測量。一只電阻溫度探測器包括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器引線的電阻。
為了實現(xiàn)3線電阻溫度探測器配置的完全最優(yōu)化,需要兩個完全匹配的電流源。在這個3線配置中,如果只使用一個電流源(IOUT1),則引線電阻將帶來誤差,因為激勵電流流經(jīng)RL1時會在AIN1(+)與 AIN1(–)之間產(chǎn)生電壓誤差。我們利用第二個電阻溫度探測器電流源(IOUT2)對激勵電流通過RL1引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。每個電流源的絕對精度并不重要,但兩個電流源的完全匹配非常關(guān)鍵。第二個電阻溫度探測器電流通過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,因此不會帶來誤差。
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器。熱敏電阻通常使用單電流電源。同使用電阻溫度探測器一樣,一個精密電阻器用于基準(zhǔn)電壓源,一個電流源驅(qū)動該精密基準(zhǔn)電阻器和熱敏電阻器,這意味著可以實現(xiàn)一種比率配置。這也說明電流源的精度并不重要,因為電流源溫漂既影響熱敏電阻器,同時也影響基準(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)行冷接點補(bǔ)償。熱敏電阻器的標(biāo)稱電阻通常為1000 Ω或更高以上。
熱敏二極管
當(dāng)然,也可以用熱敏二極管進(jìn)行溫度測量。在這類系統(tǒng)中,通過測量二極管接法晶體管的基極-發(fā)射極電壓來計算溫度。采用兩種不同的電流分別通過熱敏二極管。測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,因此可以通過測量兩個不同電流情況下的基極-發(fā)射極電壓差來精確地計算溫度。
在圖3中,我們將AD7792/AD7793的激勵電流源設(shè)置為 10 μA 與210 μA (也可以選擇其他值)。首先,讓210 μA的激勵電流通過二極管,利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量基極-發(fā)射極電壓。然后,利用10 μA 激勵電流重復(fù)上述測量。這意味著電流降低到原來的1/21。在測量中電流絕對值并不重要,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量的寄生誤差,需要恒定電流比率。測量的兩個基極-發(fā)射極電壓讀數(shù)被傳輸至微控制器,然后根據(jù)以下公式計算出溫度。
其中:
n = 理想因子=被測量,
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)換器測量。
2、 對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求
結(jié)構(gòu)
溫度測量系統(tǒng)通常是低速(每秒采樣最多100個)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有一個內(nèi)置64 kHz時鐘。待測的模擬信號接近直流, 但是以K倍信號頻率(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。
Σ-Δ調(diào)節(jié)器將采樣的輸入信號轉(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出現(xiàn)在主時鐘頻率的多倍頻處。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簡單的R-C濾波器,用于消除主時鐘頻率倍頻處的數(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)定或無閃爍字節(jié))。
增益
通常,來自溫度傳感器的信號都非常微弱,對于幾度的小范圍溫度變化,熱電偶與電阻溫度檢測器等溫度傳感器產(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量溫度時,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±1.17 mV/128 mV或者大約±10 mV。這樣,ADC的高分辨率特點保證無需任何外部放大器元件就可以達(dá)到最佳效果。
對50 Hz/60 Hz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,將產(chǎn)生50 Hz及其倍頻的供電系統(tǒng)頻率(在歐洲),或產(chǎn)生60 Hz及其倍頻的供電系統(tǒng)頻率(在美國)。窄帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要采用sinc濾波器。AD7793有4個濾波器選項,模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)更新速率自動選擇需要使用的濾波器種類。在16.6 Hz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16.6 Hz時,可以利用這些凹槽同時抑制50 Hz或60 Hz的頻率。
斬波器
系統(tǒng)中總是會出現(xiàn)諸如失調(diào)電壓和其他低頻誤差等不利因素,溫度測量系統(tǒng)也不例外。斬波器是AD7793的一個固有特性,可以用于消除這些誤差信號。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,將溫度對失調(diào)漂移的影響降到最低。
低功耗
很多溫度檢測系統(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)的整個溫度系統(tǒng)都在獨立的電路板內(nèi),采用4~20 mA的環(huán)路供電。因此,獨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儀,需要同時測量溫度和瓦斯,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500 mA,所以它能持續(xù)滿足溫度系統(tǒng)的高性能指標(biāo)要求,同時消耗相當(dāng)?shù)偷碾娏鳌?/p>
3、 結(jié)束語
溫度測量系統(tǒng)對模數(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)生的模擬信號通常都非常小。因此,需要利用低噪聲的增益級電路對這些信號進(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。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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。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,溫度測量系統(tǒng)還需要其它元件,如激勵電流源和基準(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)在都采用獨立的電路板供電,因此功耗問題就變得越來越重要。
責(zé)任編輯:gt
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