作者:Jellenie Rodriguez and Mary McCarthy
介紹
如本系列文章第1部分所述,設(shè)計(jì)和優(yōu)化基于熱敏電阻的應(yīng)用解決方案存在不同的挑戰(zhàn)。這些是傳感器選擇和電路配置,已在上一篇文章中討論過(guò)。其他挑戰(zhàn)包括測(cè)量?jī)?yōu)化,包括ADC配置和選擇外部元件,同時(shí)確保ADC在規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行,以及系統(tǒng)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能并確定與ADC和整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)的誤差源。
熱敏電阻系統(tǒng)優(yōu)化
使用熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計(jì)算器等易于使用的工具,客戶可以輕松地在其系統(tǒng)中配置熱敏電阻,包括接線和接線圖。該工具以比例配置設(shè)計(jì)具有激勵(lì)電壓的熱敏電阻系統(tǒng)。它還允許客戶調(diào)整設(shè)置,如傳感器類型、被測(cè)溫度范圍、線性化和外部元件,如圖1所示。它確保ADC和熱敏電阻傳感器的使用符合規(guī)格。因此,如果客戶選擇不受支持的選項(xiàng),該工具會(huì)標(biāo)記這是錯(cuò)誤條件。例如,如果客戶選擇的最大溫度值超出特定熱敏電阻型號(hào)的工作范圍,則會(huì)顯示如圖2所示的錯(cuò)誤。遵循建議的范圍值將再次確保系統(tǒng)配置滿足傳感器和電子操作條件。
該工具使用戶能夠了解不同的錯(cuò)誤源,并且還允許設(shè)計(jì)優(yōu)化。請(qǐng)注意,該工具圍繞AD7124-4/AD7124-8設(shè)計(jì),因此它還決定了可以連接到單個(gè)ADC的傳感器數(shù)量。為了理解該工具的重要性,讓我們來(lái)看看熱敏電阻中使用的不同設(shè)計(jì)考慮因素。
圖1.熱敏電阻配置器。
圖2.越界條件。
系統(tǒng)配置(激勵(lì)、增益和外部元件)
與RTD類似,熱敏電阻也容易受到自熱的影響,因?yàn)楫?dāng)電流流過(guò)時(shí),電阻會(huì)耗散功率。因此,設(shè)計(jì)人員必須將熱敏電阻的工作電流保持在盡可能低的水平,使其功耗不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。首先,設(shè)計(jì)人員傾向于選擇較高的激勵(lì)電壓值來(lái)產(chǎn)生更高的輸出電壓,以便充分利用ADC的輸入范圍。但是,由于熱敏電阻傳感器具有負(fù)溫度系數(shù),因此其電阻會(huì)隨著溫度的升高而減小,因此流過(guò)它的高電流值將導(dǎo)致更高的功耗,從而導(dǎo)致自發(fā)熱。
從好的方面來(lái)說(shuō),熱敏電阻不需要更高的激勵(lì)源值,因?yàn)槠涓叩撵`敏度特性可以在指定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生從毫伏到伏的輸出電壓。因此,使用激勵(lì)電壓如ADC基準(zhǔn)電壓值就足夠了,并且允許比率配置。通過(guò)將PGA增益設(shè)置為1,該技術(shù)還可以確保整個(gè)熱敏電阻輸出電壓范圍或ADC模擬輸入端的電壓始終在ADC工作輸入范圍內(nèi)。該工具使用AD7124-4/AD7124-8上的內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源。當(dāng)使用增益1時(shí),PGA也會(huì)關(guān)斷,從而降低總電流消耗。AD7124-4/AD7124-8還集成了模擬輸入緩沖器,允許在外部使用無(wú)限的電阻和/或電容值,非常適合直接連接到外部電阻型傳感器(如熱敏電阻)或連接電磁能力(EMC)濾波,而不會(huì)增加任何誤差。但是,當(dāng)ADC增益為1且使能模擬輸入緩沖器時(shí),必須確保滿足正確操作所需的裕量。該工具還允許設(shè)計(jì)人員平衡外部元件的選擇,包括外部裕量電阻的允許范圍和推薦的檢測(cè)電阻值及其容差和漂移性能。熱敏電阻工具還提供了常用熱敏電阻類型的列表,并允許設(shè)計(jì)人員輸入任何類型的NTC熱敏電阻的標(biāo)稱值和β(β)或斯坦哈特常數(shù)。傳感器、外部元件的精度及其對(duì)系統(tǒng)誤差的貢獻(xiàn)以及傳感器使用的線性化技術(shù)的影響將在后面討論。
濾波和功耗考慮
Σ-Δ型ADC使用數(shù)字濾波器,數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)在采樣頻率和采樣頻率的倍數(shù)處提供0 dB的衰減。這意味著濾波器響應(yīng)在采樣頻率附近反射,因此需要在模擬域中使用抗混疊濾波器。由于Σ-Δ型ADC固有地對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣,因此簡(jiǎn)化了抗混疊濾波器的設(shè)計(jì),因此一個(gè)簡(jiǎn)單的(單極點(diǎn))RC濾波器就足夠了。例如,AD7124-4/AD7124-8只需要一個(gè)與每個(gè)模擬輸入串聯(lián)的1 kΩ電阻、從AINP到AINM的0.1 μF電容,以及從每個(gè)模擬輸入引腳到AVSS的0.01 μF。
在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用或過(guò)程控制中,額外的魯棒性是重中之重。系統(tǒng)可能會(huì)遇到來(lái)自其相鄰組件或環(huán)境的噪聲、瞬變或其他干擾。出于EMC目的,通常在模擬輸入上使用較大的R和C值。但是,請(qǐng)注意,當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在增益為1的無(wú)緩沖模式下時(shí),輸入直接進(jìn)入調(diào)制器的采樣電容,因此較大的RC值會(huì)導(dǎo)致增益誤差,因?yàn)锳DC沒(méi)有足夠的時(shí)間在采樣時(shí)刻之間建立。緩沖模擬輸入可防止這些錯(cuò)誤。
來(lái)自主電源的干擾也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。因此,當(dāng)器件由電源供電時(shí),50 Hz/60 Hz抑制也是系統(tǒng)要求之一。AD7124-4/AD7124-8等窄帶寬Σ-Δ型ADC的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,它提供靈活的數(shù)字濾波選項(xiàng),可將陷波設(shè)置為50 Hz和/或60 Hz。
所選濾波器類型以及編程輸出數(shù)據(jù)速率會(huì)影響建立時(shí)間及其噪聲性能。該器件還提供不同的功率模式,允許用戶調(diào)整ADC以獲得最佳功率、速度或性能。系統(tǒng)的電流消耗或功率預(yù)算分配高度依賴于最終應(yīng)用。如果系統(tǒng)需要更高的輸出數(shù)據(jù)速率和更好的噪聲性能,則可以將器件配置為全功率模式。如果在合理的速度和合理的性能下需要有限的功耗,則設(shè)備可以在中功率或低功耗模式下運(yùn)行。
除了準(zhǔn)確性或性能之外,時(shí)間也是一個(gè)因素。在大多數(shù)應(yīng)用中,需要滿足特定的時(shí)間才能執(zhí)行所有測(cè)量。如果啟用了多個(gè)通道(即使用多個(gè)傳感器),設(shè)計(jì)人員需要考慮通過(guò)數(shù)字濾波器的延遲。在多路復(fù)用ADC中,當(dāng)使能多個(gè)通道時(shí),每次切換通道時(shí)都需要一個(gè)建立時(shí)間;因此,選擇建立時(shí)間較長(zhǎng)的濾波器類型(即sinc4或sinc3)將降低整體吞吐率。在這種情況下,后置濾波器或FIR濾波器有助于在較短的建立時(shí)間內(nèi)提供合理的50 Hz/60 Hz同步抑制,從而提高吞吐速率。所有濾波器選項(xiàng)和輸出數(shù)據(jù)速率選擇的子集都可以通過(guò)熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計(jì)算器進(jìn)行測(cè)試。這將產(chǎn)生預(yù)期的噪聲性能,并將提供給下一節(jié)將討論的系統(tǒng)誤差計(jì)算。請(qǐng)注意,虛擬評(píng)估在線工具上提供了完整的輸出數(shù)據(jù)速率/FS值/吞吐速率選擇。虛擬評(píng)估顯示了不同場(chǎng)景的時(shí)序,可用于評(píng)估ADC的時(shí)序性能,無(wú)論是測(cè)量單個(gè)還是多個(gè)熱敏電阻傳感器。
誤差預(yù)算計(jì)算
如前所述,熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計(jì)算器允許用戶修改系統(tǒng)配置以獲得最佳性能。圖3所示的誤差預(yù)算計(jì)算器可幫助設(shè)計(jì)人員了解與ADC相關(guān)的誤差,以及系統(tǒng)配置中的誤差,無(wú)論是否進(jìn)行內(nèi)部或系統(tǒng)校準(zhǔn)。系統(tǒng)錯(cuò)誤餅圖指示系統(tǒng)的哪個(gè)部分是整個(gè)系統(tǒng)錯(cuò)誤的最大貢獻(xiàn)者。因此,客戶可以修改ADC或系統(tǒng)配置以實(shí)現(xiàn)最佳性能。
如圖3所示,ADC引起的誤差并不是導(dǎo)致整體系統(tǒng)誤差的重要誤差因素。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作時(shí),外部元件及其溫度系數(shù)或溫度漂移規(guī)格通常是整個(gè)系統(tǒng)的主要誤差貢獻(xiàn)因素。
例如,如果我們?cè)诠ぞ咧袑z測(cè)電阻溫度系數(shù)從10 ppm/°C更改為25 ppm/°C,您將看到整體系統(tǒng)誤差將顯著增加。因此,選擇具有更好初始精度和更低溫度系數(shù)的檢測(cè)電阻非常重要,以最大程度地減少任何可能的溫度漂移誤差。
AD7124-4/AD7124-8提供不同的校準(zhǔn)模式,可用于進(jìn)一步降低測(cè)量誤差。建議在上電或軟件初始化時(shí)進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn),以消除標(biāo)稱溫度下ADC的增益和失調(diào)誤差。請(qǐng)注意,該工具使用的增益設(shè)置為 1。AD7124-4/AD7124-8出廠校準(zhǔn)增益為1,所得增益系數(shù)為器件的默認(rèn)增益系數(shù)。因此,該器件不支持增益為1的進(jìn)一步內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)。請(qǐng)注意,標(biāo)稱溫度下的內(nèi)部校準(zhǔn)僅消除AD7124-4/AD7124-8的增益和失調(diào)誤差,而不會(huì)消除增益和失調(diào)誤差以及外部電路產(chǎn)生的任何漂移誤差。執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)可以消除外部誤差。在不同溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)也可以提高漂移性能。但是,這將增加額外的成本和工作量,并且可能不適合某些應(yīng)用程序。
圖3.熱敏電阻誤差預(yù)算計(jì)算器。
故障檢測(cè)
對(duì)于任何惡劣環(huán)境或安全優(yōu)先的應(yīng)用,診斷功能變得越來(lái)越重要,甚至需要。即使對(duì)于不安全的設(shè)計(jì),診斷也能增加魯棒性,確保設(shè)計(jì)的所有模塊都正常運(yùn)行,并且處理器僅接收和處理有效數(shù)據(jù)。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷功能減少了實(shí)現(xiàn)診斷所需的外部元件,從而成為更小、更簡(jiǎn)化、省時(shí)、省錢的解決方案。診斷包括:
檢查模擬引腳上的電壓電平,以確保其在指定的工作范圍內(nèi)
基準(zhǔn)電壓檢查
串行外設(shè)接口 (SPI) 總線上的循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)
內(nèi)存映射上的 CRC
信號(hào)鏈檢查
這些診斷可帶來(lái)更強(qiáng)大的解決方案。
熱敏電阻系統(tǒng)評(píng)估
在概念化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并了解預(yù)期的系統(tǒng)性能之后,設(shè)計(jì)人員的下一步是原型設(shè)計(jì)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能。CN-0545是實(shí)驗(yàn)室電路參考設(shè)計(jì),利用EVAL-AD7124-4/EVAL-AD7124-8評(píng)估板及其評(píng)估軟件,為0.1°C精度熱敏電阻提供測(cè)量數(shù)據(jù)。CN-0545中的電路使用10 kΩ、44031型NTC熱敏電阻傳感器,該傳感器的額定測(cè)量溫度范圍為–50°C至+150°C,在更寬的溫度范圍內(nèi),0°C至+70°C和±1°C之間的精度為±0.1°C。?
圖4顯示了CN-0545的測(cè)量結(jié)果。該測(cè)量數(shù)據(jù)由AD7124-4/AD7124-8評(píng)估板捕獲,該評(píng)估板包括熱敏電阻演示模式,用于測(cè)量熱敏電阻并使用傳感器的斯坦哈特-哈特常數(shù)計(jì)算等效°C。該圖顯示了實(shí)際的性能結(jié)果。如果將其與誤差預(yù)算計(jì)算器進(jìn)行比較,實(shí)際結(jié)果可能比該工具提供的估計(jì)值更好。這種差異是由于該工具對(duì)所有參數(shù)使用最大值,因此它提供了電路的最壞情況分析。實(shí)際上,系統(tǒng)中使用的電子設(shè)備和組件的傳感器漂移、初始精度和溫度漂移并不總是處于其指定的最大值。
圖4.熱敏電阻溫度精度測(cè)量,后置濾波器,低功耗模式,25 SPS。
提供這種靈活的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的參考電路板對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員很有價(jià)值,因?yàn)樗梢钥s短設(shè)計(jì)周期并提供良好的電路技術(shù)。除硬件外,該軟件還支持每個(gè)熱敏電阻傳感器的不同系統(tǒng)優(yōu)化和校準(zhǔn)技術(shù),以滿足市場(chǎng)需求,他們需要易于使用、高精度、高精度和可靠的信號(hào)鏈解決方案。
提供設(shè)計(jì)人員工具和硬件演示模式電路可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理測(cè)量的方式不同,并且可能使用不同的控制器進(jìn)行軟件處理。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程,可以使用簡(jiǎn)單的固件應(yīng)用AD7124溫度測(cè)量演示示例來(lái)生成自定義代碼,可選擇控制器板、軟件平臺(tái)、器件配置和熱敏電阻等測(cè)量傳感器。這個(gè)開(kāi)源 Mbed 平臺(tái)提供了支持超過(guò) 150+ 個(gè)控制器板的能力,無(wú)論是否經(jīng)過(guò)修改。因此,它支持快速原型設(shè)計(jì)和更快的開(kāi)發(fā)階段。
結(jié)論
本文表明,設(shè)計(jì)基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的多步驟過(guò)程。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的旅程,熱敏電阻配置器和誤差預(yù)算計(jì)算器以及虛擬Eval、評(píng)估板硬件和軟件、Mbed固件和CN-0545可用于解決連接問(wèn)題和整體誤差預(yù)算等不同挑戰(zhàn),使用戶的設(shè)計(jì)更上一層樓。
使用高度集成的低帶寬Σ-Δ型ADC進(jìn)一步減少了設(shè)計(jì)工作,因?yàn)樗鼈兲峁┝思?lì)、調(diào)理和測(cè)量傳感器所需的構(gòu)建模塊,同時(shí)消除了50 Hz/60 Hz抑制等問(wèn)題。
這種集成水平,以及完整的系統(tǒng)附件或生態(tài)系統(tǒng),將簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及從概念到原型設(shè)計(jì)的成本和設(shè)計(jì)周期。
審核編輯:郭婷
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