模数转换器在温度测量系统中的应用及要求分析.docx

【Word版本下载可任意编辑】 PAGE 1 - / NUMPAGES 1 模数转换器在温度测量系统中的应用及要求分析 1引言  测量温度的传感器有几种。为具体应用选择适当的温度传感器取决于待测温度范围以及所需的 。系统 取决于温度传感器的 以及对传感器输出开展数字化的模数转换器的性能。在多数情况下，由于传感器信号非常微弱，因此需要高分辨率模数转换器。Σ-Δ模数转换器具有高分辨率，因而非常适合这种系统，而且这种转换器往往包含温度测量系统所需的内置电路，如激励电流源。本应用注释主要介绍可以利用的温度传感器（热电偶、电阻温度检测器（RTD）、热敏电阻器与热敏二极管）以及连接传感器与模数转换器所需的电路，并介绍对模数转换器的性能要求。  热电偶   图1.热电偶温度系统的模拟电路部分  热电偶由两种不同类型的金属组成。当温度高于零摄氏度时，在两种金属的连接处会产生温差电压，电压大小取决于温度相对于零摄氏度的偏差。热电偶具有体积小、牢固耐用、价格相对便宜、工作温度范围宽等优点，非常适合恶劣环境中的极高温度（高达2300°C）测量。不过，热电偶的输出为毫伏级，因此需要经过精细放大才能开展进一步处理。不同类型热电偶的灵敏度也不一样，一般仅为每摄氏度几毫伏，因此为了准确读出温度，需要高分辨率、低噪声模数转换器。当热电偶与印制电路板的铜印刷线连接时，在热电偶与铜印刷线连接的地方会出现另一个热电偶接点。其结果是产生一个抵消热电偶电压的电压。为了补偿这个反向电压，我们在热电偶-铜线连接点放置一个温度传感器，测量连接处的温度。这就是所谓的冷接点。  图1给出利用3通道、16/24位AD7792/AD7793Σ-Δ模数转换器（也可以使用6通道AD7794/AD7795）的热电偶系统。其片内仪表放大器首先对热电偶电压开展放大，然后通过模数转换器对放大的电压信号开展模数转换。热电偶产生的电压偏置在地电平附近。片内激励电压源将其偏置到放大器线性范围以内，因此系统能够利用单电源工作。这种低噪声、低漂移、片内、带隙基准电压源，能够确保模数转换的 ，从而保证整个温度测量系统的 。  冷接点的温度是利用电阻温度探测器（RTD）或热敏电阻器（图1中的RT）开展测量的。这两种器件的电阻都随着温度而变化。片内恒流源提供所需的激励电流。在这个测量中使用了比率配置方式，也就是，模数转换器的基准电压源与精细电阻器使用相同的激励电流。采用比率配置方式，可以使冷接点的温度测量不受激励电流的影响，因为激励电流的变化可以使传感器产生的电压变化量与精细电阻器产生的电压变化量完全相同，因此对模数转换没有任何影响。  电阻温度探测器  电阻温度探测器的电阻随着温度的变化而变化。电阻温度探测器的常用材料是镍、铜、铂，其中电阻在100Ω～1000Ω之间的铂电阻温度探测器是 常见的。电阻温度探测器适用于在–200°C～+800°C的整个温度范围内具有接近线性响应的温度测量。一只电阻温度探测器包括3根或4根导线组成。图2给出3线电阻温度探测器与模数转换器的连接示意图，其中RL1、RL2、RL3分别代表电阻温度探测器引线的电阻。  图2.电阻温度探测器温度系统的模拟电路部分  为了实现3线电阻温度探测器配置的完全 化，需要两个完全匹配的电流源。在这个3线配置中，如果只使用一个电流源（IOUT1），则引线电阻将带来误差，因为激励电流流经RL1时会在AIN1（+）与AIN1（–）之间产生电压误差。我们利用第二个电阻温度探测器电流源（IOUT2）对激励电流通过RL1引起的误差开展补偿。每个电流源的 并不重要，但两个电流源的完全匹配非常关键。第二个电阻温度探测器电流通过RL2。假设RL1与RL2相等（引线通常由同样材料制成且长度相等），且IOUT1与IOUT2匹配，使RL2两端误差电压将与RL1两端误差电压抵消，因此AIN1（+）与AIN1（–）之间不会产生误差电压。虽然RL3将产生两倍的电压，但这是共模电压，因此不会带来误差。  模数转换器具有差分模拟输入并承受差分基准电压，可以实现比率配置。在图2中，模数转换器的基准电压也是由匹配的电流源产生的。这个基准电压由精细电阻器（RREF）两端的电压产生，并用于模数转换器的差分参考输入端。这个方案将确保模拟输入电压与基准电压成比率。因电阻温度探测器电流源温漂而引起的模拟输入电压的任何误差，都可以通过基准电压的偏差开展补偿。  热敏电阻器  热敏电阻器的电阻也随着温度的变化而变化，但是其 不如电阻温度探测器。热敏电阻通常使用单电流电源。同使用电阻温度探测器一样，一个精细电阻器用于基准电压源，一个