溫度測量系統(tǒng)中高精度ADC設(shè)計詳解

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(tǒng)的精度由溫度傳感器的精度以及將傳感器的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化的高性能的ADC決定。在工業(yè)以及醫(yī)療的應(yīng)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(lǐng)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(yōu)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(nèi)呈現(xiàn)接近線性相應(yīng)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(yōu)缺點，4線的接線方式可以獲取最精確的測量結(jié)果，缺點是可靠性降低同時增加系統(tǒng)成本，3線接線讀數(shù)準(zhǔn)確，成本更經(jīng)濟，目前使用比較普遍，2線接線最為經(jīng)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(dǎo)線電阻導(dǎo)致的誤差：PRTD作為一種電阻，它與控制端之間的導(dǎo)線的電阻會導(dǎo)致誤差。

2、自熱導(dǎo)致的誤差：PRTD本身就是一種金屬電阻，激勵電流通過PRTD時，產(chǎn)生的功耗使得傳感器本身溫度升高，導(dǎo)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(shè)計

溫度測量系統(tǒng)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(qū)動Pt1000鉑電阻，有效克服了導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)對測量精度的影響；

2）利用單片機計算雙極性驅(qū)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(zhuǎn)換器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差；

3）恒流源與A／D轉(zhuǎn)換器共用參考基準(zhǔn)，有效消除了參考基準(zhǔn)不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差。

4）在MCU中采用MLS數(shù)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(wěn)定度的影響，大大提高了溫度測量精度和穩(wěn)定度。

5）ADC具有差分模擬輸入，并且接受差分基準(zhǔn)電壓，從而可以實現(xiàn)比率配置。從圖1中可見，恒流電流源提供給ADC基準(zhǔn)電壓源，精密的恒流源產(chǎn)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(zhǔn)電壓的偏差來補償。

圖1 三線制高精度溫度測量系統(tǒng)

此外，溫度測量系統(tǒng)對于ADC以及系統(tǒng)的其他電子元器件需求都要求比較高，溫度傳感器產(chǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換部分需要高精度的ADC將傳感器輸出的模擬信號數(shù)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(zhǔn)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(tǒng)精度。

審核編輯：符乾江