高精度Sigma-Delta ADC在額溫槍的應(yīng)用

因?yàn)橐咔橛绊?，采?a target="_blank">紅外測(cè)溫技術(shù)的額外槍是緊俏物資，也是受廣大電子工程師們關(guān)注的一個(gè)熱門話題。圍繞額溫槍的方案，在疫情前基本只存在一種主流方案，其一般采用有效位都在16bits 及以上Sigma-delta ADC的模擬前端進(jìn)行測(cè)量。然而疫情期間，由于需求爆棚，而早期高精度Sigma-delta ADC模擬前端方案又存在一定的缺口，使得原本不關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域的通用MCU廠商及方案商也介入這個(gè)領(lǐng)域，推出了不采用Sigma-delta ADC模擬前端的另一種方案，典型的就是通過帶12bits ADC的通用32位MCU搭配運(yùn)放的方案。那么這兩種方案的優(yōu)劣勢(shì)如何呢？筆者嘗試做幾方面分析。

1.精度和動(dòng)態(tài)范圍對(duì)比

由于傳感器探頭信號(hào)小，而ADC的分辨率有限，為了能夠滿足0.1℃的測(cè)溫顯示分辨率，因此選擇在紅外熱電堆的傳感器探頭信號(hào)和ADC直接加運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)放大。實(shí)際上，要達(dá)到0.1℃的顯示分辨率，底層分辨率至少0.05℃，而為了后續(xù)算法（濾波去噪）處理不帶來失真影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，最好底層分辨率是顯示分辨率的10倍以上，及0.01℃。單純?yōu)榱私鉀Q分辨率的問題可以通過提高運(yùn)放放大倍數(shù)著手，但放大倍數(shù)也不能任意提高，因?yàn)榱硪粋€(gè)指標(biāo)對(duì)其有約束，這就是動(dòng)態(tài)范圍。例如額溫槍最少要滿足的動(dòng)態(tài)范圍是15~35℃環(huán)境溫度變化時(shí)，需測(cè)量目標(biāo)溫度32~42℃范圍，也就是要達(dá)到42-15=+27℃，32-25=-3℃的動(dòng)態(tài)范圍。這個(gè)是最低要求，實(shí)際上考慮使用場(chǎng)景，環(huán)境溫度范圍可能超過15~35℃，如冬天在室外測(cè)量環(huán)境溫度可能到10℃，在夏天熱帶地區(qū)環(huán)境溫度會(huì)到40℃。此外，為了增加額溫槍的使用場(chǎng)景提高附加值，一般會(huì)設(shè)置物溫模式，例如測(cè)量水溫、奶溫，特別是對(duì)于有哺乳期小孩 的家庭非常實(shí)用。此時(shí)動(dòng)態(tài)范圍就要求更寬了，會(huì)達(dá)到+50℃以上。由于為了提高分辨率而放大信號(hào)，而信號(hào)放大后又會(huì)減小動(dòng)態(tài)范圍，因此這兩個(gè)指標(biāo)需要統(tǒng)籌考慮，精心設(shè)計(jì)。而運(yùn)放本身除了考慮放大倍數(shù)會(huì)影響測(cè)量性能外，還要考慮其失調(diào)電壓及其漂移、噪聲、共模抑制比、輸入阻抗\電流等參數(shù)，否則會(huì)顯著影響最終測(cè)量效果。

此外，市場(chǎng)上紅外測(cè)溫探頭仍然稀缺，各種類型的傳感器不少于15種，各家的信號(hào)響應(yīng)存在一定的差異，再配合探頭結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致不同傳感器探頭的信號(hào)量存在較大差異。而信號(hào)量又顯著影響測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。表1詳細(xì)對(duì)比分析了不同傳感器探頭在相同放大倍數(shù)時(shí)測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的不同。

表1不同傳感器探頭時(shí)測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)比分析

那么采用高精度Sigma-delta ADC情況如何呢？表1中第3、5列給出了分析。為了便于對(duì)比，我們假設(shè)參考電壓、傳感器探頭信號(hào)量和上述12bits ADC情況一致，假設(shè)Sigma-delta ADC的有效位為18bits，那么當(dāng)運(yùn)放放大倍數(shù)為32時(shí)，不同傳感器探頭信號(hào)量情況下，測(cè)量分辨率（倒數(shù)第2行）和動(dòng)態(tài)范圍（倒數(shù)第1行）都可以輕松滿足要求，可以說是游刃有余。而且，現(xiàn)在的高精度Sigma-DeltaADC一般都集成了可編程放大器，增益調(diào)節(jié)通過軟件即可實(shí)現(xiàn)，使用更加靈活。表1中，我們先看第2列和第4列采用12bits ADC（考慮非線性、噪聲等通常有效位只有11位，例如國內(nèi)某廠商的12bit ADC有效位只有10.3 bits）的方案。第2列中傳感器探頭1的信號(hào)約30uV/℃，為了達(dá)到最小0.1℃有2個(gè)LSB的分辨率（倒數(shù)第二行），放大倍數(shù)需要達(dá)到800倍，而此時(shí)動(dòng)態(tài)范圍（倒數(shù)第一行）為+/-46.88℃，可以說是動(dòng)態(tài)范圍勉強(qiáng)滿足最低要求。第4列中傳感器探頭2的信號(hào)約80uV/℃，此時(shí)放大倍數(shù)如果仍然為800，則分辨率可以提高到5.2 LSB，但是動(dòng)態(tài)范圍只有+/-17.6℃，不滿足要求。為了使傳感器探頭2可以滿足要求，必須降低放大倍數(shù)至400左右。因此可以說，為了適配不同的傳感器探頭，采用12bits ADC的方案，需要改變放大倍數(shù)去適配，增加了調(diào)試時(shí)間。而且這也僅僅是最低要求，上面分析說了，分辨率為2個(gè)LSB實(shí)際上還是會(huì)在后續(xù)的濾波去噪中給測(cè)量帶來失真誤差（噪聲的非線性折疊）影響準(zhǔn)確性。如果按照較為理想的情況，分辨率達(dá)到0.1℃有10 個(gè)LSB的分辨率計(jì)算，則12bits ADC+運(yùn)放是無論如何設(shè)計(jì)也不滿足要求的。

2.其他

另外，對(duì)于紅外測(cè)溫的另一個(gè)考量是NTC測(cè)量環(huán)境溫度的準(zhǔn)確性。由于NTC具有大的內(nèi)阻（100Kohm級(jí)別），且隨溫度變化很大（從200K級(jí)別變化到10K級(jí)別），因此對(duì)于測(cè)量電路的輸入阻抗提出了較高的要求。如果直接用MCU自帶的SARADC進(jìn)行測(cè)量采樣，輸入阻抗一般在1Mohm以下，使得NTC內(nèi)阻的變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫的準(zhǔn)確性大打折扣，因此需要再增加一個(gè)Buffer電路以進(jìn)行阻抗變換。而高精度Sigma-delta ADC 的一般會(huì)集成這個(gè)Buffer電路，使得輸入阻抗提高到100Mohm級(jí)別，使得NTC內(nèi)阻變化對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確性的影響降至可以忽略的程度。

此外，為了適應(yīng)寬泛的環(huán)境溫度變化，ADC的基準(zhǔn)電壓也需要較低的溫漂系數(shù)。這個(gè)低溫漂基準(zhǔn)一般不會(huì)集成在上述通用MCU中，需要額外配置；與此相反，高精度的Sigma-delta ADC 的也會(huì)集成滿足要求的低溫漂基準(zhǔn)（50ppm/℃以內(nèi)，最好在30ppm/℃左右）。

圖1：采用帶12bits ADC的MCU的額溫槍方案的電路框圖

圖2：采用帶高精度Sigma-delta ADC的額溫槍方案電路框圖

因此，采用帶12bits ADC的通用MCU如果想實(shí)現(xiàn)額溫槍方案，如圖1所示，需外圍增加2個(gè)運(yùn)放和1個(gè)低溫漂基準(zhǔn)，使得信號(hào)測(cè)量部分PCB布局布線較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)復(fù)雜度高。如前所述，運(yùn)放的失調(diào)電壓及其漂移、噪聲、共模抑制比、輸入阻抗\電流等參數(shù)，以及放大后的信號(hào)帶寬都需要仔細(xì)考慮，每項(xiàng)指標(biāo)都需要符合系統(tǒng)要求，且指標(biāo)要求高，否則會(huì)顯著影響最終測(cè)量的精準(zhǔn)性。而圖2所示采用帶高精度Sigma-delta ADC的額溫槍方案中信號(hào)測(cè)量的外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，內(nèi)置運(yùn)放基本都已經(jīng)考慮了小信號(hào)測(cè)量的需求，無需再做分析和選型，設(shè)計(jì)難度低。

3.總結(jié)

綜上所述，采用帶12bits ADC的通用MCU來實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫額溫槍方案，在測(cè)量精準(zhǔn)度、動(dòng)態(tài)范圍、對(duì)傳感器探頭的適應(yīng)性、抗干擾、外圍器件及設(shè)計(jì)復(fù)雜度等方面都存在不足；而采用帶高精度Sigma-delta ADC的模擬前端方案，則可以避免上述問題。兩者的詳細(xì)對(duì)比見表2。隨著國內(nèi)半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前帶高精度Sigma-delta ADC的模擬前端完全實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，且性能不輸國際同行，可以放心選擇。