溫度測量系統對ADC的要求

　　熱電偶

　　熱電偶由兩種不同類(lèi)型的金屬組成。當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(diǎn)，非常適合惡劣環(huán)境中的極高溫度(高達2300℃)測量。但是，熱電偶的輸出為mV級，因此需要經(jīng)過(guò)精密放大才能作進(jìn)一步處理。不同類(lèi)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。其片內儀表放大器首先對熱電偶電壓進(jìn)行放大，然后通過(guò)ADC對放大的電壓信號進(jìn)行模數轉換。熱電偶產(chǎn)生的電壓偏置在地電平附近。片內激勵電壓源將其偏置到放大器線(xiàn)性范圍以?xún)?，因此系統能夠利用單電源工作。這種低噪聲、低漂移、片內帶隙基準電壓源，能夠確保模數轉換的精度，從而保證整個(gè)溫度測量系統的精度。

　　電阻溫度探測器

　　電阻溫度探測器的電阻隨著(zhù)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(jiàn)的。電阻溫度探測器適用于在-200℃ ~ +800℃的整個(gè)溫度范圍內具有接近線(xiàn)性響應的溫度測量。一只電阻溫度探測器包括3根或4根導線(xiàn)。

　　熱敏電阻器

　　熱敏電阻器的電阻也隨著(zhù)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(gè)精密電阻器用于基準電壓源，一個(gè)電流源驅動(dòng)該精密基準電阻器和熱敏電阻器，這意味著(zhù)可以實(shí)現一種比率配置。這也說(shuō)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(shí)也影響基準電阻器，因此抵消了漂移影響。在熱電偶應用中，通常利用熱敏電阻器進(jìn)行冷接點(diǎn)補償。熱敏電阻器的標稱(chēng)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(guò)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(guò)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(guò)測量從基極到發(fā)射極電壓在兩種不同電流情況下的差，從而準確計算溫度。例如，我們將AD7792/AD7793的激勵電流源設置為10mA 與210mA (也可以選擇其它值)。首先，讓210mA的激勵電流通過(guò)二極管，利用ADC測量從基極到發(fā)射極的電壓。然后，利用10mA 激勵電流重復上述測量。這意味著(zhù)電流降低到原來(lái)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成為這種應用的理想選擇。在這種結構下，開(kāi)關(guān)電容器前端模擬輸入連續采樣，采樣頻率明顯高于有用帶寬。

　　ΣΔ調節器將采樣的輸入信號轉換為數字脈沖串，其“1”的密度包括數字量信息。ΣΔ調節其還能進(jìn)行噪聲整形。通過(guò)噪聲整形，有用帶寬內的噪聲被移到有用帶寬以外，到達無(wú)用的頻率范圍。調節器的階數越高，在有用帶寬內對噪聲整形的作用就越明顯。但是，較高階調節器容易不穩定。因此，必須在調節器階數與穩定性之間進(jìn)行權衡。在窄帶ΣΔ ADC中，通常使用二階或三階調節器，器件穩定性良好。

　　調節器后面的數字濾波器對調節器輸出進(jìn)行采樣，給出有效的數據轉換結果。該濾波器還能濾除帶外噪聲。數字濾波器圖像頻率會(huì )出現在主時(shí)鐘頻率的多倍頻處，因此，利用ΣΔ結構意味著(zhù)所需的唯一外部元件是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器，用于消除主時(shí)鐘頻率倍頻處的數字濾波器鏡像頻率。ΣΔ結構使24位 ADC具有20.5字節的峰峰分辨率(穩定或無(wú)閃爍的字節)。

　　增益

　　通常，來(lái)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)生的相應模擬電壓變化最多僅為數百mV。因此，典型滿(mǎn)量程模擬輸出電壓只在mV范圍內。如果不采用增益級電路，ADC的滿(mǎn)度范圍通常為±V_REF。為了使ADC的性能最優(yōu)化，應當使用其大部分的模擬輸入范圍。在使用這類(lèi)傳感器測量溫度時(shí)，增益的重要性異常突出。要是沒(méi)有任何增益，則ADC滿(mǎn)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(kāi)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的增益可以設置為1, 2, 4, 8, 16, 32, 64或128。利用128倍的最大增益設置以及產(chǎn)生的基準電壓源，AD7793的滿(mǎn)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(diǎn)保證無(wú)需任何外部放大器元件就可以達到最佳效果。

　　對50Hz/60Hz頻率的抑制

　　ΣΔ ADC的內置數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)供電系統產(chǎn)生的頻率。當電力網(wǎng)為器件供電時(shí)，將產(chǎn)生50 Hz及其倍頻的供電系統頻率(在歐洲)，或產(chǎn)生60 Hz及其倍頻的供電系統頻率(在美國)。窄帶ADC主要采用sinc濾波器。AD7793有4個(gè)濾波器選項，ADC可以根據更新速率自動(dòng)選擇需要使用的濾波器種類(lèi)。在16.6 Hz的更新速率下使用sinc3濾波器。如圖2所示，sinc3濾波器在頻譜內存在凹槽。當輸出字速率為16.6 Hz時(shí)，可以利用這些凹槽同時(shí)抑制50 Hz或60 Hz的頻率。

　　斬波器

　　系統中總是會(huì )出現諸如失調電壓和其它低頻誤差等不利因素，溫度測量系統也不例外。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。斬波器的工作原理就是在A(yíng)DC的輸入多路復用器處交替地倒相(或削波)。然后，對每次斬波相位(正相位和負相位)進(jìn)行一次模數轉換。接著(zhù)，用數字濾波器對這兩次轉換結果取平均。這樣，就消除了ADC內出現的任何失調誤差，更重要的是，將溫度對失調漂移的影響降到最低。

　　低功耗

　　很多溫度檢測系統都不采用電力供電。在一些工業(yè)應用中，例如工廠(chǎng)中的溫度監視，包括傳感器、ADC和微控制器在內的整個(gè)溫度系統都在獨立的電路板內，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算為4mA。在便攜式系統采用電池供電這類(lèi)應用中，低功耗很重要，但高性能也很重要。