ADC規(guī)格參數(shù)/分析 - 利用熱電偶和ADC實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量

ADC規(guī)格參數(shù)/分析

表3所示為MAX11200的基本性能指標(biāo)，具有圖4中所示的電路特性。

表3. MAX11200的主要技術(shù)指標(biāo)

?	MAX11200	Comments
Sample Rate (sps)	10 to 120	The MAX11200's variable oversampling rate can be optimized for low noise and for -150dB line-noise rejection at 50Hz or 60Hz.
Channels	1	GPIOs allow external?multiplexer?control for multichannel measurements.
INL (ppm, max)	±10	Provides very good measurement linearity.
Offset Error (μV)	±1	Provides almost zero offset measurements.
Noise-Free Resolution (Bits)	19.0 at 120sps; 19.5 at 60sps; 21.0 at 10sps	Very high?dynamic range?with low power.
VDD?(V)	AVDD (2.7 to 3.6) DVDD (1.7 to 3.6)	AVDD and DVDD ranges cover the industry's popular power-supply ranges.
ICC?(μA, max)	300	Highest resolution per unit power in the industry; ideal for portable applications.
GPIOs	Yes	Allows external device control, including local multiplexer control.
Input Range	0 to VREF, ±VREF	Wide input ranges
Package	16-QSOP, 10-μMAX? (15mm2)	Some models like the?MAX11202?are offered in a 10-μMAX package—a very small size for space-constrained designs.

本文中使用的MAX11200是一款低功耗、24位、Σ-Δ ADC，適合于需要寬動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率的低功耗應(yīng)用。利用該ADC，基于式3和4可計(jì)算圖3電路的溫度分辨率。

	(式3)
	(式4)

式中：
Rtlsb為熱電偶在1 LSB時(shí)的分辨率；
Rtnfr為熱電偶無(wú)噪聲分辨率(NFR)；
VREF為基準(zhǔn)電壓；
Tcmax為測(cè)量范圍內(nèi)的熱電偶最大溫度；
Tcmin為測(cè)量范圍內(nèi)的熱電偶最小溫度；
Vtmax為測(cè)量范圍的熱電偶最大電壓；
Tcmax為測(cè)量范圍內(nèi)的熱電偶最小電壓；
FS為ADC滿幅編碼，對(duì)于雙極性配置的MAX11200為(223-1)；
NFR為ADC無(wú)噪聲分辨率，對(duì)于雙極性配置的MAX11200為(220-1)，10Sa/s時(shí)。

表4所列為利用式3和4計(jì)算表1中K型熱電偶的測(cè)量分辨率。

表4. K型熱電偶在不同溫度范圍內(nèi)的測(cè)量分辨率

Temperature Range (°C)	-200 to 0	0 to 500	500 to 1372
Voltage Range (mV)	-5.891	20.644	34.242
Rtlsb Resolution (°C/LSB)	0.0121	0.0087	0.0091
Rtnfr Resolution (°C/NFR)	0.0971	0.0693	0.0729

表4中提供了每個(gè)溫度范圍內(nèi)的°C/LSB誤差和°C/NFR誤差計(jì)算值。無(wú)噪聲分辨率(NFR)表示ADC能夠可靠區(qū)分的最小溫度值。對(duì)于整個(gè)溫度范圍，NFR值低于0.1°C，對(duì)于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的大多數(shù)熱電偶遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠。

熱電偶與MAX11200評(píng)估板的連接

MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。評(píng)估板可幫助設(shè)計(jì)工程師快速完成項(xiàng)目開發(fā)，例如驗(yàn)證圖4所示解決方案。

在圖4所示原理圖中，常見的K型OMEGA熱電偶(KTSS-116 [5])連接至差分評(píng)估板輸入A1。利用Maxim應(yīng)用筆記4875中介紹的高性價(jià)比比例方案，測(cè)量冷端溫度的絕對(duì)值[3]。R1 (PT1000)輸出連接至評(píng)估板輸入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路復(fù)用器MAX4782，復(fù)用器動(dòng)態(tài)選擇將熱電偶或PRTD R1輸出連接至MAX11200的輸入。

K型熱電偶(圖3、4)在-50°C至+350°C范圍內(nèi)的線性度適當(dāng)。對(duì)于有些不太嚴(yán)格的應(yīng)用，線性逼近公式(式5)能大大降低計(jì)算量和復(fù)雜度。

近似絕對(duì)溫度可計(jì)算為：

(式5)

式中：
E為實(shí)測(cè)熱電偶輸出，單位為mV；
Tabs為K型熱電偶的絕對(duì)溫度，單位為°C；
Tcj為PT1000實(shí)測(cè)的熱電偶冷端溫度，單位為°C [3]；
Ecj為利用Tcj計(jì)算得到的冷端熱電偶等效輸出，單位為mV。

所以：
k = 0.041mV/°C——從-50°C至+350°C范圍內(nèi)的平均靈敏度

然而，為了在更寬的溫度范圍(-270°C至+1372°C)內(nèi)精密測(cè)量，強(qiáng)烈建議采用多項(xiàng)式(式2)和系數(shù)(根據(jù)NIST ITS-90)：

Tabs = ?(E + Ecj)

(式6)

式中：
Tabs為K型熱電偶的絕對(duì)溫度，單位為°C；
E為實(shí)測(cè)熱電偶輸出，單位為mV；
Ecj為利用Tcj計(jì)算得到的冷端熱電偶等效輸出，單位為mV；
f為式2中的多項(xiàng)式函數(shù)；
TCOLD為PT1000實(shí)測(cè)的熱電偶的冷端溫度，單位為°C。

圖7所示為圖4的開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括經(jīng)認(rèn)證的精密校準(zhǔn)器，F(xiàn)luke?-724，作為溫度模擬器代替K型OMEGA熱電偶。


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圖7. 圖4開發(fā)系統(tǒng)

Fluke-724校準(zhǔn)器提供與K型熱電偶在-200°C至+1300°C范圍內(nèi)輸出相對(duì)應(yīng)的精密電壓，送至基于PT1000的冷端補(bǔ)償模塊?；贛AX11200的DAS動(dòng)態(tài)選擇熱電偶或PRTD測(cè)量值，并通過(guò)USB端口將數(shù)據(jù)送至筆記本計(jì)算機(jī)。專門開發(fā)的DAS軟件采集并處理熱電偶和PT1000輸出產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

表5列出了-200°C至+1300°C溫度范圍內(nèi)的測(cè)量和計(jì)算值，采用式5和6。

表5. -200°C至+1300°C范圍的測(cè)量計(jì)算

Temperature (Fluke-724) (°C)	PT1000 Code Measured at "Cold Junction" (LSB)	Thermocouple Code Adjusted to 0°C by PT1000 Measurements (LSB)	Temperature Calculated by Equation 6 and Table 2 (°C)	Temperature Error vs. Calibrator (°C)	Temperature Calculated by "Linear" Equation 5 (°C)
-200	326576	-16463	-199.72	0.28	-143.60
-100	326604	-9930	-99.92	0.08	-86.62
-50	326570	-5274	-50.28	-0.28	-46.01
0	326553	6	0.00	0.00	0.05
20	326590	2257	20.19	0.19	19.68
100	326583	11460	100.02	0.02	99.96
200	326486	22779	200.18	0.18	198.69
500	326414	57747	500.16	0.16	503.70
1000	326520	115438	1000.18	0.18	1006.92
1300	326544	146562	1300.09	0.09	1278.40

如表5所示，利用式6，基于MAX11200的DAS系統(tǒng)在非常寬的溫度范圍內(nèi)可達(dá)到±0.3°C數(shù)量級(jí)的精度。式5中的線性逼近法在很窄的-50°C至+350°C范圍內(nèi)僅能實(shí)現(xiàn)1°C至4°C的精度。

注意，式6需要相對(duì)復(fù)雜的線性化計(jì)算算法。

大約十年之前，在DAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)此類算法會(huì)受到技術(shù)和成本的限制。當(dāng)今的現(xiàn)代化處理器速度快、性價(jià)比高，解決了這些難題。

總結(jié)

最近幾年，適用于-270°C至+1750°C溫度范圍的高性價(jià)比、熱電偶溫度檢測(cè)技術(shù)取得較大進(jìn)展。在改進(jìn)溫度測(cè)量和范圍的同時(shí)，成本也更加合理，功耗更低。

如果ADC和熱電偶直接連接，這些基于熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)需要低噪聲ADC (如MAX11200)。熱電偶、PRTD和ADC集成至電路時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)非常適用于便攜式檢測(cè)應(yīng)用的高性能溫度測(cè)量系統(tǒng)。

MAX11200具有較高的無(wú)噪聲分辨率、集成緩沖器和GPIO驅(qū)動(dòng)器，可直接連接任何傳統(tǒng)的熱電偶及高分辨率PRTD (如PT1000)，無(wú)需額外的儀表放大器或?qū)Ｓ?a target="_blank">電流源。更少的接線和更低的熱誤差進(jìn)一步降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，使設(shè)計(jì)者能夠?qū)崿F(xiàn)DAS與熱電偶及冷端補(bǔ)償模塊的簡(jiǎn)單接口。