ADC規(guī)格參數(shù)/分析 - 測試儀器基礎(chǔ)應(yīng)用知識總結(jié)（二）：十大故障診斷方法

　　ADC規(guī)格參數(shù)/分析

　　表3所示為MAX11200的基本性能指標，具有圖4中所示的電路特性。

　　表3. MAX11200的主要技術(shù)指標 MAX11200Comments

　　Sample Rate （sps）10 to 120The MAX11200‘s variable oversampling rate can be optimized for low noise and for -150dB line-noise rejection at 50Hz or 60Hz.

　　Channels1GPIOs allow external multiplexer control for multichannel measurements.

　　INL （ppm， max）±10Provides very good measurement linearity.

　　Offset Error （μV）±1Provides almost zero offset measurements.

　　Noise-Free Resolution （Bits）19.0 at 120sps; 19.5 at 60sps; 21.0 at 10spsVery 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）300Highest resolution per unit power in the industry; ideal for portable applications.

　　GPIOsYesAllows external device control， including local multiplexer control.

　　Input Range0 to VREF， ±VREFWide input ranges

　　Package16-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時的分辨率；

　　Rtnfr為熱電偶無噪聲分辨率（NFR）；

　　VREF為基準電壓；

　　Tcmax為測量范圍內(nèi)的熱電偶最大溫度；

　　Tcmin為測量范圍內(nèi)的熱電偶最小溫度；

　　Vtmax為測量范圍的熱電偶最大電壓；

　　Tcmax為測量范圍內(nèi)的熱電偶最小電壓；

　　FS為ADC滿幅編碼，對于雙極性配置的MAX11200為（223-1）；

　　NFR為ADC無噪聲分辨率，對于雙極性配置的MAX11200為（220-1），10Sa/s時。

　　表4所列為利用式3和4計算表1中K型熱電偶的測量分辨率。

　　表4. K型熱電偶在不同溫度范圍內(nèi)的測量分辨率 Temperature Range （°C）-200 to 00 to 500500 to 1372

　　Voltage Range （mV）-5.89120.64434.242

　　Rtlsb Resolution （°C/LSB）0.01210.00870.0091

　　Rtnfr Resolution （°C/NFR）0.09710.06930.0729

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

　　熱電偶與MAX11200評估板的連接

　　MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。評估板可幫助設(shè)計工程師快速完成項目開發(fā)，例如驗證圖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］）連接至差分評估板輸入A1。利用Maxim應(yīng)用筆記4875中介紹的高性價比比例方案，測量冷端溫度的絕對值［3］。R1 （PT1000）輸出連接至評估板輸入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路復(fù)用器MAX4782，復(fù)用器動態(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)。對于有些不太嚴格的應(yīng)用，線性逼近公式（式5）能大大降低計算量和復(fù)雜度。

　　近似絕對溫度可計算為：

　　（式5）

　　式中：

　　E為實測熱電偶輸出，單位為mV；

　　Tabs為K型熱電偶的絕對溫度，單位為°C；

　　Tcj為PT1000實測的熱電偶冷端溫度，單位為°C ［3］；

　　Ecj為利用Tcj計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)精密測量，強烈建議采用多項式（式2）和系數(shù)（根據(jù)NIST ITS-90）：

　　Tabs = ?（E + Ecj）（式6）

　　式中：

　　Tabs為K型熱電偶的絕對溫度，單位為°C；

　　E為實測熱電偶輸出，單位為mV；

　　Ecj為利用Tcj計算得到的冷端熱電偶等效輸出，單位為mV；

　　f為式2中的多項式函數(shù)；

　　TCOLD為PT1000實測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)認證的精密校準器，F(xiàn)luke?-724，作為溫度模擬器代替K型OMEGA熱電偶。

　　詳細圖片（PDF， 3.1MB）

　　圖7. 圖4開發(fā)系統(tǒng)

　　Fluke-724校準器提供與K型熱電偶在-200°C至+1300°C范圍內(nèi)輸出相對應(yīng)的精密電壓，送至基于PT1000的冷端補償模塊?；贛AX11200的DAS動態(tài)選擇熱電偶或PRTD測量值，并通過USB端口將數(shù)據(jù)送至筆記本計算機。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)的測量和計算值，采用式5和6。

　　表5. -200°C至+1300°C范圍的測量計算 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）

　　-200326576-16463-199.720.28-143.60

　　-100326604-9930-99.920.08-86.62

　　-50326570-5274-50.28-0.28-46.01

　　032655360.000.000.05

　　20326590225720.190.1919.68

　　10032658311460100.020.0299.96

　　20032648622779200.180.18198.69

　　50032641457747500.160.16503.70

　　10003265201154381000.180.181006.92

　　13003265441465621300.090.091278.40

　　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)可達到±0.3°C數(shù)量級的精度。式5中的線性逼近法在很窄的-50°C至+350°C范圍內(nèi)僅能實現(xiàn)1°C至4°C的精度。

　　注意，式6需要相對復(fù)雜的線性化計算算法。

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