温度测量系统对模数转换器的性能要求

2007-06-06 13:12:05来源: 中国铁电网

1 引言

测量温度的传感器有几种。为具体应用选择适当的温度传感器取决于待测温度范围以及所需的精度。系统精度取决于温度传感器的精度以及对传感器输出进行数字化的模数转换器的性能。在多数情况下,由于传感器信号非常微弱,因此需要高分辨率模数转换器。Σ-Δ模数转换器具有高分辨率,因而非常适合这种系统,而且这种转换器往往包含温度测量系统所需的内置电路,如激励电流源。本应用注释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)以及连接传感器与模数转换器所需的电路,并介绍对模数转换器的性能要求。

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、坚固耐用、价格相对便宜、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°C)测量。不过,热电偶的输出为毫伏

级,因此需要经过精密放大才能进行进一步处理。不同类型热电偶的灵敏度也不一样,一般仅为每摄氏度几毫伏,因此为了准确读出温度,需要高分辨率、低噪声模数转换器。当热电偶与印制电路板的铜印刷线连接时,在热电偶与铜印刷线连接的地方会出现另一个热电偶接点。其结果是产生一个抵消热电偶电压的电压。为了补偿这个反向电压,我们在热电偶-铜线连接点放置一个温度传感器,测量连接处的温度。这就是所谓的冷接点。

图1给出利用3通道、16/24位AD7792/AD7793Σ-Δ模数转换器(也可以使用6通道AD7794/AD7795)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,然后通过模数转换器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。


图1.热电偶温度系统的模拟电路部分

冷接点的温度是利用电阻温度探测器(RTD)或热敏电阻器(图1中的RT)进行测量的。这两种器件的电阻都随着温度而变化。片内恒流源提供所需的激励电流。在这个测量中使用了比率配置方式,也就是,模数转换器的基准电压源与精密电阻器使用相同的激励电流。采用比率配置方式,可以使冷接点的温度测量不受激励电流的影响,因为激励电流的变化可以使传感器产生的电压变化量与精密电阻器产生的电压变化量完全相同,因此对模数转换没有任何影响。

电阻温度探测器

电阻温度探测器的电阻随着温度的变化而变化。电阻温度探测器的常用材料是镍、铜、铂,其中电阻在100 Ω~1000 Ω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°C ~ +800°C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根导线组成。图2给出3线电阻温度探测器与模数转换器的连接示意图,其中RL1、RL2、RL3分别代表电阻温度探测器引线的电阻。

图2. 电阻温度探测器温度系统的模拟电路部分

为了实现3线电阻温度探测器配置的完全最优化,需要两个完全匹配的电流源。在这个3线配置中,如果只使用一个电流源(IOUT1),则引线电阻将带来误差,因为激励电流流经RL1时会在AIN1(+)与 AIN1(–)之间产生电压误差。我们利用第二个电阻温度探测器电流源(IOUT2)对激励电流通过RL1引起的误差进行补偿。每个电流源的绝对精度并不重要,但两个电流源的完全匹配非常关键。第二个电阻温度探测器电流通过RL2。假设RL1与RL2相等(引线通常由同样材料制成且长度相等),且IOUT1与IOUT2匹配,使RL2两端误差电压将与RL1两端误差电压抵消,因此AIN1(+)与 AIN1(–)之间不会产生误差电压。虽然RL3将产生两倍的电压, 但这是共模电压,因此不会带来误差。

模数转换器具有差分模拟输入并接受差分基准电压,可以实现比率配置。在图2中,模数转换器的基准电压也是由匹配的电流源产生的。这个基准电压由精密电阻器(RREF)两端的电压产生,并用于模数转换器的差分参考输入端。这个方案将确保模拟输入电压与基准电压成比率。因电阻温度探测器电流源温漂而引起的模拟输入电压的任何误差,都可以通过基准电压的偏差进行补偿。

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通常为1000 Ω或更高以上。

热敏二极管

当然,也可以用 热敏二极管进行温度测量。在这类系统中,通过测量二极管接法晶体管的基极-发射极电压来计算温度。采用两种不同的电流分别通过热敏二极管。测量在每种情况下的基极-发射极电压。由于知道电流的比率,因此可以通过测量两个不同电流情况下的基极-发射极电压差来精确地计算温度。

图3.热敏二极管温度系统模拟电路部分

在图3中,我们将AD7792/AD7793的激励电流源设置为 10 μA 与210 μA (也可以选择其他值)。首先,让210 μA的激励电流通过二极管,利用模数转换器测量基极-发射极电压。然后,利用10 μA 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。

由于AD7792/AD7793将电流源集成在芯片中,因此能够保证电流源的精确匹配,从而使电流比率保持不变。为了消除影响温度测量的寄生误差,需 要恒定电流比率。测量的两个基极-发射极电压读数被传输至微控制器,然后根据以下公式计算出温度。

  其中:
  n = 理想因子=被测量,
  K = 玻尔兹曼常数,
  N = IC2与IC1的比率,
  Q = 电子电荷量,
  ΔVBE 由模数转换器测量。

2 对模数转换器的要求

结构

温度测量系统通常是低速(每秒采样最多100个)的,因此窄带模数转换器比较适合;但是,模数转换器必须具有高分辨率。窄带与高分辨率的要求,使得Σ-Δ模数转换器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(参见图4)。例如,AD7793有一个内置64 kHz时钟。待测的模拟信号接近直流, 但是以K倍信号频率(KfS)进行过采样,从而降低了基带内的量化噪声。量化噪声从直流一直分布到半采样频率(KfS/2)。因此,采用提高的采样频率增大了量化噪声分布的范围,降低了有用频带内的噪声。

图4.过取样、数字滤波、噪声整形和采样抽取对噪声频谱的影响

Σ-Δ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。Σ-Δ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Σ-Δ模数转换器中,通常使用二阶或三阶调节器,因此,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,以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Σ-Δ结构意味着所需的唯一外部元件是一个简单的R-C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。Σ-Δ结构使24位模数转换器具有20.5字节的峰-峰分辨率(20.5稳定或无闪烁字节)。

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毫伏。因此,典型满度模拟输出电压只在mV范围内。如果不采用增益级电路,模数转换器的满度范围通常为±VREF。为了使模数转换器的性能最优化,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,则模数转换器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50 Hz/60 Hz频率的抑制

Σ-Δ模数转换器的内置数字滤波器对于抑制带外量化噪声以及其他噪声源非常有效。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)。窄带模数转换器主要采用sinc滤波器。AD7793有4个滤波器选项,模数转换器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的更新速率使用sinc3滤波器。如图5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。


图5.更新速率等于16.6 Hz(斩波频率)时的频率响应?

斩波器

系统中总是会出现诸如失调电压和其他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模数转换器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,就消除了模数转换器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,如工厂中的温度监视,包括传感器、模数转换器以及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~ 20 mA的环路供电。因此,独立电路板的最大电流预算为4mA。便携式设备,如矿山中使用的便携式瓦斯检测仪,需要同时测量温度和瓦斯,这类便携式系统采用电池供电,其目的是延长电池寿命。在这类应用中,低功耗很重要,但高性能也很重要。AD7933的最大功耗电流为500 mA,所以它能持续满足温度系统的高性能指标要求,同时消耗相当低的电流。

3 结束语

温度测量系统对模数转换器和系统的需求相当严格。每种类型温度传感器需要的元件都不同,但是由这些传感器产生的模拟信号通常都非常小。因此,需要利用低噪声的增益级电路对这些信号进行放大,这样,放大器的噪声不至于淹没传感器的微弱信号。放大器后面需要高分辨率的模数转换器,以便将传感器输出的模拟信号转换为数字信号。Σ?Δ体系结构很适合这类模数转换器应用,利用这种体系结构已经开发出具有高分辨率、高精密度的模数转换器。除了模数转换器和增益级,温度测量系统还需要其它元件,如激励电流源和基准电压源。另外,这些元件必须具有低漂移、低噪声的性能,这样才不会降低系统精度。失调电压等初始误差可以在系统外校准,但是所用元件的温度漂移必须很低,以避免引入误差。最后,所有便携式应用中都需要考虑功耗,以前采用电力网供电的许多系统现在都采用独立的电路板供电,因此功耗问题就变得越来越重要。

关键字:激励  内置  电耦  热敏

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