【導(dǎo)讀】用于測(cè)量模擬量的信號(hào)鏈通常給工程師帶來(lái)嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。即使是帶有電阻傳感器和模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)單信號(hào)鏈也涉及多個(gè)復(fù)雜因素，在進(jìn)行有效測(cè)量之前必須處理這些因素。
用于測(cè)量模擬量的信號(hào)鏈通常給工程師帶來(lái)嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。即使是帶有電阻傳感器和模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)單信號(hào)鏈也涉及多個(gè)復(fù)雜因素，在進(jìn)行有效測(cè)量之前必須處理這些因素。
當(dāng)系統(tǒng)使用不同的傳感器時(shí)，這些因素的管理就更加復(fù)雜。本文通過(guò)不同類(lèi)型的電阻傳感器的插圖討論了開(kāi)發(fā)人員為實(shí)現(xiàn)測(cè)量而需要解決的不同問(wèn)題。
在抽象層面上，所有使用電阻傳感器的系統(tǒng)中的模擬信號(hào)鏈或多或少類(lèi)似于圖 1所示。
圖 1：基本模擬信號(hào)鏈
盡管所有信號(hào)鏈在塊級(jí)別上看起來(lái)都相同，但每個(gè)塊的參數(shù)將根據(jù)許多因素而有所不同。這些因素中重要的是要考慮的是物理量單位變化時(shí)傳感器兩端電阻的變化（以及電壓的變化）、傳感器與測(cè)量系統(tǒng)的距離（即由于導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的測(cè)量誤差）、系統(tǒng)的精度、干擾類(lèi)型和所需的精度。
這些因素決定了所需的激勵(lì)類(lèi)型、傳感器與測(cè)量電路的連接方式、預(yù)處理電路和 ADC 所需的增益、所需濾波器的類(lèi)型及其截止頻率以及分辨率和ADC的輸入范圍。
讓我們從熱敏電阻開(kāi)始，研究不同的傳感器以及使用它們時(shí)與模擬信號(hào)鏈相關(guān)的主要限制。熱敏電阻在整個(gè)溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)極非線(xiàn)性。電阻隨溫度的變化是復(fù)雜的非線(xiàn)性函數(shù)：
1/T = A + B ln(R) + C (ln(R)) 3
其中 T 是溫度，R 是電阻。 A、B 和 C 是熱敏電阻特定的常數(shù)。
由于方程的算術(shù)復(fù)雜性，可能不建議在微控制器中實(shí)現(xiàn)它。因此，實(shí)現(xiàn)此計(jì)算的一般方法是使用電阻和相應(yīng)溫度值的查找表。然后使用分段算術(shù)計(jì)算溫度。
雖然增益變化和偏移可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，但這些誤差對(duì)于基于熱敏電阻的溫度傳感器的精度要求來(lái)說(shuō)太小了。增益變化和偏移將在本文后面的 RTD 部分中討論。
考慮到電阻的測(cè)量，可以有多種直接測(cè)量的方式，如圖2所示。
圖 2(a)、2(b)、2(c)：電阻測(cè)量拓?fù)?/p>
圖 2(a) 所示的拓?fù)涫褂秒妷?DAC 來(lái)激勵(lì)電阻分壓器。電路中的一個(gè)電阻是傳感器本身，另一個(gè)電阻是已知值的參考電阻。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以工作；然而，單端測(cè)量有一些缺點(diǎn)。其中之一是傳感器附近的 Vss 與 ADC 的實(shí)際內(nèi)部 Vss 之間的接地偏移，這將導(dǎo)致偏移。
另一方面，如圖 2(b) 所示，當(dāng) ADC 的 –ve 輸入靠近電阻分接時(shí)，模擬地和 ADC 的地相同。由于差分線(xiàn)在傳感器之前會(huì)彼此靠近運(yùn)行，因此一根線(xiàn)上的任何拾取都會(huì)在另一根上復(fù)制。當(dāng)使用差分測(cè)量結(jié)構(gòu)測(cè)量時(shí)，該信號(hào)會(huì)被抵消，因?yàn)樗枪材Ｐ盘?hào)。該圖中需要注意的另一點(diǎn)是，在測(cè)量 Rsensor 兩端的電壓時(shí)，+ve 輸入在傳感器本身附近分接。這可確保測(cè)量不會(huì)因?qū)Ь€(xiàn)電阻而產(chǎn)生誤差。
圖 2(c) 顯示了使用電流 DAC 來(lái)激勵(lì)傳感器的拓?fù)洹鞲衅鲀啥藴y(cè)量的電壓將提供其電阻的準(zhǔn)確測(cè)量。就所需外部組件的數(shù)量而言，電流激勵(lì)是拓?fù)洹Ｋ恍枰魏螀⒖茧娮琛Ｈ欢瑸榱诵?zhǔn)系統(tǒng)的增益誤差，需要一個(gè)外部電阻。請(qǐng)注意，對(duì)于那些不需要非常高精度的應(yīng)用，不需要增益誤差補(bǔ)償，因此不需要外部參考電阻。
電阻溫度檢測(cè)器 (RTD )
RTD（電阻溫度檢測(cè)器）在 0 o C時(shí)的電阻 約為 100 歐姆，溫度每變化一度，都會(huì)導(dǎo)致接近 0.385 歐姆的變化。由于 RTD 的電阻較低 ，因此導(dǎo)線(xiàn)電阻的影響對(duì)其精度起著重要作用。
RTD 使用恒流源進(jìn)行激勵(lì)。 RTD 兩端的電壓可以使用 3 線(xiàn)法或 4 線(xiàn)法進(jìn)行測(cè)量，具體取決于從測(cè)量系統(tǒng)到 RTD 的并行布線(xiàn)數(shù)量。由于 RTD 安裝在遠(yuǎn)離測(cè)量系統(tǒng)的位置，因此 3 線(xiàn)法或 4 線(xiàn)法可以測(cè)量 RTD 兩端的電壓。由于電線(xiàn)成本，通常優(yōu)選電線(xiàn)測(cè)量方法。圖 3 顯示了用于 3 線(xiàn)測(cè)量的 RTD 接口圖。
圖 3：3 線(xiàn) RTD 測(cè)量
在圖 3 中，當(dāng)在個(gè)通道上測(cè)量電壓時(shí)，它不僅僅是 RTD 兩端的電壓。事實(shí)上，它是在 RTD 上測(cè)量的壓降以及 IDAC 和 RTD 之間的線(xiàn)電阻。由導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的誤差可以通過(guò)多種方式處理。一種方法是手動(dòng)測(cè)量電線(xiàn)的電阻，然后將其存儲(chǔ)為常數(shù)。每次進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都可以減去該電阻。
另一種方法是測(cè)量 RTD 正極端子與 DAC 輸出引腳之間的壓降。如果電線(xiàn)規(guī)格相同，則它們將具有相同的電阻，并且可以從傳感器上測(cè)量的電壓中減去上一步中測(cè)量的電壓。然而，如果導(dǎo)線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)，仍然可能存在一些誤差。此外，此方法將消耗一個(gè)額外的引腳來(lái)將 DAC 的輸出引腳連接到 ADC 輸入。
圖 4：4 線(xiàn) RTD 測(cè)量
為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量，如圖 4所示的 4 線(xiàn)配置。負(fù)輸入和正輸入均從靠近 RTD 的位置分接，從而消除了因?qū)Ь€(xiàn)電阻而產(chǎn)生的誤差。在設(shè)計(jì) RTD 信號(hào)鏈時(shí)，該鏈的輸入阻抗需要非常高，以保持輸入電流可以忽略不計(jì)。如果 ADC 的輸入阻抗較低，則應(yīng)在連接 ADC 之前將信號(hào)饋送到緩沖器。
如前所述，系統(tǒng)中會(huì)存在隨溫度變化的偏移。可以使用相關(guān)雙采樣 (CDS) 消除隨溫度和低頻噪聲變化的失調(diào)/失調(diào)漂移。使用 CDS，首先測(cè)量零參考偏移（為了測(cè)量它，兩個(gè)輸入都短路），然后測(cè)量傳感器兩端的電壓。在圖 3 和圖 4 中，為了測(cè)量零參考信號(hào)，ADC 連接到通道 1。
當(dāng)測(cè)量傳感器兩端的電壓時(shí)，它將包括實(shí)際的熱電偶電壓、偏移和噪聲（公式 1）。在圖 3 和圖 4 中，它是在通道 0 上測(cè)量的電壓。
V R_Signal = V RTD + V N + V偏移 （等式 1）
零參考讀數(shù)由公式 2給出。
V Zero_Ref = V N + V偏移 （等式 2）
相對(duì)于當(dāng)前零參考測(cè)量的先前零參考樣本由等式3給出。
V Zero_ref_Prev = (V N + V offset ) × Z -1 (Eq. 3)
那么，傳感器上的當(dāng)前電壓測(cè)量值與之前的零參考信號(hào)之間的差值由等式 4給出。
V信號(hào)= (V RTD + V N + V偏移) – (V N + V偏移) × Z -1 (公式 4)
V信號(hào) = V RTD – (V N + V偏移) × (1-1/Z)(Eq.5)
由于連續(xù)樣本的偏移量相當(dāng)恒定，因此公式 5 將得出公式 6。
V信號(hào) = V RTD – V N ×(1-1/Z)(方程 6)
使用雙線(xiàn)性變換，Z = (1 + sT/2)/(1-sT)，其中 T 為 1/fsample，方程 6 可寫(xiě)為方程 7。
V信號(hào)= V RTD – V N × (2s/(s+ 2f樣本)(Eq. 7)
如果我們分析方程 7，它是高通響應(yīng)。另一方面，ADC 具有低通響應(yīng)。這有助于降低系統(tǒng)的整體噪音。此外，查看圖 4 中所示的拓?fù)洌苊黠@系統(tǒng)的精度完全取決于 IDAC 的精度。如果 IDAC 偏差 5%，那么計(jì)算也會(huì)偏差 5%。
這是測(cè)量中的增益誤差項(xiàng)，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不可接受的。還有其他因素會(huì)導(dǎo)致增益誤差，其中 ADC 及其參考精度是首要原因。如果 ADC 的參考精度僅為 1%，則使用 ADC 進(jìn)行的所有測(cè)量都會(huì)遭受 1% 的增益誤差。由于我們?cè)谶@里測(cè)量溫度，因此漂移問(wèn)題可能會(huì)帶來(lái)更深層次的問(wèn)題。
避免這些不同增益誤差影響的方法是根據(jù)更準(zhǔn)確的參數(shù)參考所有測(cè)量結(jié)果。 0.1% 電阻可用于此目的。圖 5 顯示了校準(zhǔn)電阻的連接拓?fù)洹?/p>
圖 5：具有增益誤差補(bǔ)償?shù)?4 線(xiàn) RTD 測(cè)量
電流首先通過(guò)參考電阻并測(cè)量電壓，從而測(cè)量其電阻。這種測(cè)量很容易出現(xiàn)前面討論的增益誤差。然而，在下一步中，相同的電流通過(guò) RTD，并使用相同的設(shè)置測(cè)量其兩端的電壓。兩個(gè) ADC 測(cè)量值的比率消除了由于 RTD 的電阻測(cè)量是參考參考電阻器而產(chǎn)生的任何增益誤差。系統(tǒng)的精度現(xiàn)在基于所使用的參考電阻的精度/容差。
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