溫度測量系統(tǒng)對ADC的要求

　　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、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℃)測量。但是，熱電偶的輸出為mV級，因此需要經(jīng)過精密放大才能作進(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mV，因此需要高分辨率、低噪聲ADC。

　　圖1給出利用3通道、16/24位AD7792/AD7793 ΣΔ ADC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ADC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。

　　電阻溫度探測器

　　電阻溫度探測器的電阻隨著溫度變化而變化。電阻溫度探測器的常用材料是鎳、銅、鉑，其中電阻在100Ω ~ 1000Ω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℃ ~ +800℃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。

　　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)稱電阻值通常為1000Ω或更高。

　　熱敏二極管

　　也可以用熱敏二極管進(jìn)行溫度測量：通過測量二極管（一般為晶體管的基極到發(fā)射極）的電壓計算溫度。采用兩種不同的電流分別通過熱敏二極管，測量在兩種情況下從基極到發(fā)射極的電壓。由于知道電流的比率，因此可以通過測量從基極到發(fā)射極電壓在兩種不同電流情況下的差，從而準(zhǔn)確計算溫度。例如，我們將AD7792/AD7793的激勵電流源設(shè)置為10mA 與210mA (也可以選擇其它值)。首先，讓210mA的激勵電流通過二極管，利用ADC測量從基極到發(fā)射極的電壓。然后，利用10mA 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。

　　
　　對ADC的要求

　　溫度測量系統(tǒng)通常是低速(每秒采樣最多100次)的，因此窄帶ADC比較適合；但是，ADC必須具有高分辨率。窄帶與高分辨率的要求，使得ΣΔ ADC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。

　　ΣΔ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。ΣΔ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ΣΔ ADC中，通常使用二階或三階調(diào)節(jié)器，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，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ΣΔ結(jié)構(gòu)意味著所需的唯一外部元件是一個簡單的RC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。ΣΔ結(jié)構(gòu)使24位 ADC具有20.5字節(jié)的峰峰分辨率(穩(wěn)定或無閃爍的字節(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mV。因此，典型滿量程模擬輸出電壓只在mV范圍內(nèi)。如果不采用增益級電路，ADC的滿度范圍通常為±V_REF。為了使ADC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ADC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50Hz/60Hz頻率的抑制

　　ΣΔ ADC的內(nèi)置數(shù)字濾波器對于抑制帶外量化噪聲以及其它噪聲源非常有效。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ADC主要采用sinc濾波器。AD7793有4個濾波器選項，ADC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的更新速率下使用sinc3濾波器。如圖2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)電壓和其它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ADC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ADC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，例如工廠中的溫度監(jiān)視，包括傳感器、ADC和微控制器在內(nèi)的整個溫度系統(tǒng)都在獨立的電路板內(nèi)，采用4 mA ~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。在便攜式系統(tǒng)采用電池供電這類應(yīng)用中，低功耗很重要，但高性能也很重要。