高精度Sigma-Delta ADC在額溫槍的應用

因為疫情影響，采用紅外測溫技術的額外槍是緊俏物資，也是受廣大電子工程師們關注的一個熱門話題。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的模擬前端進行測量。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，使得原本不關注這個領域的通用MCU廠商及方案商也介入這個領域，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搭配運放的方案。那么這兩種方案的優(yōu)劣勢如何呢？筆者嘗試做幾方面分析。

1.精度和動態(tài)范圍對比

由于傳感器探頭信號小，而ADC的分辨率有限，為了能夠滿足0.1℃的測溫顯示分辨率，因此選擇在紅外熱電堆的傳感器探頭信號和ADC直接加運放進行信號放大。實際上，要達到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量的準確性，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放放大倍數(shù)著手，但放大倍數(shù)也不能任意提高，因為另一個指標對其有約束，這就是動態(tài)范圍。例如額溫槍最少要滿足的動態(tài)范圍是15~35℃環(huán)境溫度變化時，需測量目標溫度32~42℃范圍，也就是要達到42-15=+27℃，32-25=-3℃的動態(tài)范圍。這個是最低要求，實際上考慮使用場景，環(huán)境溫度范圍可能超過15~35℃，如冬天在室外測量環(huán)境溫度可能到10℃，在夏天熱帶地區(qū)環(huán)境溫度會到40℃。此外，為了增加額溫槍的使用場景提高附加值，一般會設置物溫模式，例如測量水溫、奶溫，特別是對于有哺乳期小孩 的家庭非常實用。此時動態(tài)范圍就要求更寬了，會達到+50℃以上。由于為了提高分辨率而放大信號，而信號放大后又會減小動態(tài)范圍，因此這兩個指標需要統(tǒng)籌考慮，精心設計。而運放本身除了考慮放大倍數(shù)會影響測量性能外，還要考慮其失調電壓及其漂移、噪聲、共模抑制比、輸入阻抗\電流等參數(shù)，否則會顯著影響最終測量效果。

此外，市場上紅外測溫探頭仍然稀缺，各種類型的傳感器不少于15種，各家的信號響應存在一定的差異，再配合探頭結構的不同，導致不同傳感器探頭的信號量存在較大差異。而信號量又顯著影響測量分辨率和動態(tài)范圍的指標，進而對設計帶來挑戰(zhàn)。表1詳細對比分析了不同傳感器探頭在相同放大倍數(shù)時測量分辨率和動態(tài)范圍的不同。

表1不同傳感器探頭時測量分辨率和動態(tài)范圍的對比分析

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。為了便于對比，我們假設參考電壓、傳感器探頭信號量和上述12bits ADC情況一致，假設Sigma-delta ADC的有效位為18bits，那么當運放放大倍數(shù)為32時，不同傳感器探頭信號量情況下，測量分辨率（倒數(shù)第2行）和動態(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，增益調節(jié)通過軟件即可實現(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的信號約30uV/℃，為了達到最小0.1℃有2個LSB的分辨率（倒數(shù)第二行），放大倍數(shù)需要達到800倍，而此時動態(tài)范圍（倒數(shù)第一行）為+/-46.88℃，可以說是動態(tài)范圍勉強滿足最低要求。第4列中傳感器探頭2的信號約80uV/℃，此時放大倍數(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，增加了調試時間。而且這也僅僅是最低要求，上面分析說了，分辨率為2個LSB實際上還是會在后續(xù)的濾波去噪中給測量帶來失真誤差（噪聲的非線性折疊）影響準確性。如果按照較為理想的情況，分辨率達到0.1℃有10 個LSB的分辨率計算，則12bits ADC+運放是無論如何設計也不滿足要求的。

2.其他

另外，對于紅外測溫的另一個考量是NTC測量環(huán)境溫度的準確性。由于NTC具有大的內阻（100Kohm級別），且隨溫度變化很大（從200K級別變化到10K級別），因此對于測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進行測量采樣，輸入阻抗一般在1Mohm以下，使得NTC內阻的變化會導致測溫的準確性大打折扣，因此需要再增加一個Buffer電路以進行阻抗變換。而高精度Sigma-delta ADC 的一般會集成這個Buffer電路，使得輸入阻抗提高到100Mohm級別，使得NTC內阻變化對測溫準確性的影響降至可以忽略的程度。

此外，為了適應寬泛的環(huán)境溫度變化，ADC的基準電壓也需要較低的溫漂系數(shù)。這個低溫漂基準一般不會集成在上述通用MCU中，需要額外配置；與此相反，高精度的Sigma-delta ADC 的也會集成滿足要求的低溫漂基準（50ppm/℃以內，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如果想實現(xiàn)額溫槍方案，如圖1所示，需外圍增加2個運放和1個低溫漂基準，使得信號測量部分PCB布局布線較為復雜，設計復雜度高。如前所述，運放的失調電壓及其漂移、噪聲、共模抑制比、輸入阻抗\電流等參數(shù)，以及放大后的信號帶寬都需要仔細考慮，每項指標都需要符合系統(tǒng)要求，且指標要求高，否則會顯著影響最終測量的精準性。而圖2所示采用帶高精度Sigma-delta ADC的額溫槍方案中信號測量的外圍電路相對簡單，內置運放基本都已經(jīng)考慮了小信號測量的需求，無需再做分析和選型，設計難度低。

3.總結

綜上所述，采用帶12bits ADC的通用MCU來實現(xiàn)紅外測溫額溫槍方案，在測量精準度、動態(tài)范圍、對傳感器探頭的適應性、抗干擾、外圍器件及設計復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。兩者的詳細對比見表2。隨著國內半導體技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前帶高精度Sigma-delta ADC的模擬前端完全實現(xiàn)了國產(chǎn)化，且性能不輸國際同行，可以放心選擇。