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溫度測量系統中高精度ADC設計

知識百科

概述
溫度測量的傳感器有很多種，包括有熱電偶、PRTD（platinum resistance temperature detectors）、熱敏電阻、熱敏二極管等 。
系統的精度由溫度傳感器的精度以及將傳感器的數據進行數字化的高性能的ADC決定 。 在工業以及醫療的應用中很多溫度測量通常需要±0.1°C或者更好的測量精度，合理的成本以及更低的功耗 。
這些領域的溫度測量范圍一般都在-200°C~ +1750°C，鉑電阻溫度傳感器被采用在高精度溫度測量中是因為其具有優異的精度和互換性，鉑電阻傳感器是利用金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性而制成的溫度傳感器，所以一般使用PRTD 。
測量精度的影響
PRTD的阻值在溫度范圍內呈現接近線性相應的溫度測量 。
PRTD檢測溫度的接口可采用2線、3線和4線， 提供給ADC差分信號 。 每一種接口方式有其優缺點，4線的接線方式可以獲取最精確的測量結果，缺點是可靠性降低同時增加系統成本，3線接線讀數準確，成本更經濟，目前使用比較普遍，2線接線最為經濟，通常需要利用微處理器或者DSP對引線的IR誤差進行補償 。
PRTD測量時的誤差主要有:
1、導線電阻導致的誤差：PRTD作為一種電阻，它與控制端之間的導線的電阻會導致誤差 。
2、自熱導致的誤差：PRTD本身就是一種金屬電阻，激勵電流通過PRTD時，產生的功耗使得傳感器本身溫度升高，導致PRTD阻值變大 。
3、PRTD的線性誤差：PRTD具有近似線性特性，在0°C阻值為100歐的PRTD，到溫度到266°C時阻值就會到200歐，但是線性誤差會隨著溫度變化 。
高精度的設計
溫度測量系統一般都是低速的，每秒鐘采樣不超出100次，窄帶ADC即可滿足需求，但是要求ADC具有高精度，本文就如何保證ADC的高精度做如下介紹：
1）利用三線制恒流源驅動Pt1000鉑電阻，有效克服了導線電阻和自熱效應對測量精度的影響；
2）利用單片機計算雙極性驅動電流下的兩次測量電壓可有效避免接線勢壘電壓及放大器、A／D轉換器的失調與漂移產生的系統誤差；
3）恒流源與A／D轉換器共用參考基準，有效消除了參考基準不穩定產生的誤差 。
4）在MCU中采用MLS數值算法抵消噪聲，進一步克服了噪聲和隨機誤差對測量精度和穩定度的影響，大大提高了溫度測量精度和穩定度 。
5）ADC具有差分模擬輸入，并且接受差分基準電壓，從而可以實現比率配置 。 從圖1中可見，恒流電流源提供給ADC基準電壓源，精密的恒流源產生的電壓提供給ADC的差分參考輸入端，ADC的模擬輸入電壓和參考電壓成正比 。 有PRTD電流源溫度漂移引起的模擬輸入電壓的任何誤差都可以通過其基準電壓的偏差來補償 。

溫度測量系統中高精度ADC設計

文章插圖

圖1 三線制高精度溫度測量系統
【溫度測量系統中高精度ADC設計】此外，溫度測量系統對于ADC以及系統的其他電子元器件需求都要求比較高，溫度傳感器產生的微小的模擬信號需要用低噪聲的增益放大器放大，同時要求放大電路的噪聲不能淹沒傳感器的微弱信號 。 模數轉換部分需要高精度的ADC將傳感器輸出的模擬信號數字化，高精度的∑-△類的ADC比較適合 。 除了ADC以及放大電源，激勵電流源和基準電壓源必須具有低漂移、低噪聲的特性，以便提供更好的系統精度 。