分析12bit ADC MCU+運(yùn)放額溫槍方案不足之處
發(fā)布時(shí)間:2020-04-07 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】因?yàn)橐咔橛绊懀捎眉t外測(cè)溫技術(shù)的額外槍是緊俏物資,也是受廣大電子工程師們關(guān)注的一個(gè)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(jìn)行測(cè)量。
因?yàn)橐咔橛绊懀捎眉t外測(cè)溫技術(shù)的額外槍是緊俏物資,也是受廣大電子工程師們關(guān)注的一個(gè)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(jìn)行測(cè)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(guān)注這個(gè)領(lǐng)域的通用MCU廠商及方案商也介入這個(gè)領(lǐng)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(yùn)放的方案。那么這兩種方案的優(yōu)劣勢(shì)如何呢?筆者嘗試做幾方面分析。
1. 精度和動(dòng)態(tài)范圍對(duì)比
由于傳感器探頭信號(hào)小,而ADC的分辨率有限,為了能夠滿足0.1℃的測(cè)溫顯示分辨率,因此選擇在紅外熱電堆的傳感器探頭信號(hào)和ADC直接加運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)放大。實(shí)際上,要達(dá)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(cè)量的準(zhǔn)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(yùn)放放大倍數(shù)著手,但放大倍數(shù)也不能任意提高,因?yàn)榱硪粋€(gè)指標(biāo)對(duì)其有約束,這就是動(dòng)態(tài)范圍。例如額溫槍最少要滿足的動(dòng)態(tài)范圍是15~35℃環(huán)境溫度變化時(shí),需測(cè)量目標(biāo)溫度32~42℃范圍,也就是要達(dá)到42-15=+27℃,32-25=-3℃的動(dòng)態(tài)范圍。這個(gè)是最低要求,實(shí)際上考慮使用場(chǎng)景,環(huán)境溫度范圍可能超過15~35℃,如冬天在室外測(cè)量環(huán)境溫度可能到10℃,在夏天熱帶地區(qū)環(huán)境溫度會(huì)到40℃。此外,為了增加額溫槍的使用場(chǎng)景提高附加值,一般會(huì)設(shè)置物溫模式,例如測(cè)量水溫、奶溫,特別是對(duì)于有哺乳期小孩 的家庭非常實(shí)用。此時(shí)動(dòng)態(tài)范圍就要求更寬了,會(huì)達(dá)到+50℃以上。由于為了提高分辨率而放大信號(hào),而信號(hào)放大后又會(huì)減小動(dòng)態(tài)范圍,因此這兩個(gè)指標(biāo)需要統(tǒng)籌考慮,精心設(shè)計(jì)。而運(yùn)放本身除了考慮放大倍數(shù)會(huì)影響測(cè)量性能外,還要考慮其失調(diào)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(huì)顯著影響最終測(cè)量效果。
此外,市場(chǎng)上紅外測(cè)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(hào)響應(yīng)存在一定的差異,再配合探頭結(jié)構(gòu)的不同,導(dǎo)致不同傳感器探頭的信號(hào)量存在較大差異。而信號(hào)量又顯著影響測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的指標(biāo),進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。表1詳細(xì)對(duì)比分析了不同傳感器探頭在相同放大倍數(shù)時(shí)測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的不同。
表1 不同傳感器探頭時(shí)測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)比分析
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(nèi)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(hào)約30uV/℃,為了達(dá)到最小0.1℃有2個(gè)LSB的分辨率(倒數(shù)第二行),放大倍數(shù)需要達(dá)到800倍,而此時(shí)動(dòng)態(tài)范圍(倒數(shù)第一行)為+/-46.88℃,可以說是動(dòng)態(tài)范圍勉強(qiáng)滿足最低要求。第4列中傳感器探頭2的信號(hào)約80uV/℃,此時(shí)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(dòng)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(diào)試時(shí)間。而且這也僅僅是最低要求,上面分析說了,分辨率為2個(gè)LSB實(shí)際上還是會(huì)在后續(xù)的濾波去噪中給測(cè)量帶來失真誤差(噪聲的非線性折疊)影響準(zhǔn)確性。如果按照較為理想的情況,分辨率達(dá)到0.1℃有10 個(gè)LSB的分辨率計(jì)算,則12bits ADC+運(yùn)放是無論如何設(shè)計(jì)也不滿足要求的。
那么采用24bits 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(duì)比,我們假設(shè)參考電壓、傳感器探頭信號(hào)量和上述12bits ADC情況一致,此時(shí)24bits Sigma-delta ADC的有效位為18bits,那么當(dāng)運(yùn)放放大倍數(shù)為32時(shí),不同傳感器探頭信號(hào)量情況下,測(cè)量分辨率(倒數(shù)第2行)和動(dòng)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,一般采用24bits Sigma-delta ADC 的模擬前端芯片一般會(huì)集成32倍放大的運(yùn)放。
2. 其他
模擬前端所帶的24bits Sigma-delta ADC一般采用差分方式,且其集成的運(yùn)放一般也是全差分的,相比而言12 bit ADC的MCU+運(yùn)放方式都是采用單端方式,其抗RS干擾的性能較前者要差。
另外,對(duì)于紅外測(cè)溫的另一個(gè)考量是NTC測(cè)量環(huán)境溫度的準(zhǔn)確性。由于NTC具有大的內(nèi)阻(100Kohm級(jí)別),且隨溫度變化很大(從200K級(jí)別變化到10K級(jí)別),因此對(duì)于測(cè)量電路的輸入阻抗提出了較高的要求。如果直接用ADC進(jìn)行測(cè)量采樣,輸入阻抗一般在1Mohm以下,使得NTC內(nèi)阻的變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫的準(zhǔn)確性大打折扣,因此需要再增加一個(gè)Buffer電路以進(jìn)行阻抗變換。而采用24bits Sigma-delta ADC 的模擬前端會(huì)集成這個(gè)Buffer電路,使得輸入阻抗提高到100Mohm級(jí)別,使得NTC內(nèi)阻變化對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確性的影響降至可以忽略的程度。
此外,為了適應(yīng)寬泛的環(huán)境溫度變化,ADC的基準(zhǔn)電壓也需要較低的溫漂系數(shù)。這個(gè)低溫漂基準(zhǔn)一般不會(huì)集成在上述通用MCU中,需要額外配置;與此相反,24bits Sigma-delta ADC 的模擬前端會(huì)集成滿足要求的低溫漂基準(zhǔn)(50ppm/℃以內(nèi),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24bits SDADC AFE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(shí)現(xiàn)額溫槍方案,如圖1所示,需外圍增加2個(gè)運(yùn)放和1個(gè)低溫漂基準(zhǔn),使得信號(hào)測(cè)量部分PCB布局布線較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)復(fù)雜度高。如前所述,運(yùn)放的失調(diào)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(hào)帶寬都需要仔細(xì)考慮,每項(xiàng)指標(biāo)都需要符合系統(tǒng)要求,且指標(biāo)要求高,否則會(huì)顯著影響最終測(cè)量的精準(zhǔn)性。而圖2所示采用帶24bits Sigma-delta ADC AFE的額溫槍方案中信號(hào)測(cè)量的外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單,內(nèi)置運(yùn)放基本都已經(jīng)考慮了小信號(hào)測(cè)量的需求,無需再做分析和選型,設(shè)計(jì)難度低。
3. 總結(jié)
綜上所述,采用帶12bits ADC的通用MCU來實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫額溫槍方案,在測(cè)量精準(zhǔn)度、動(dòng)態(tài)范圍、對(duì)傳感器探頭的適應(yīng)性、抗干擾、外圍器件及設(shè)計(jì)復(fù)雜度等方面都存在不足;而采用帶24bits Sigma-delta ADC的模擬前端方案,則可以避免上述問題。兩者的詳細(xì)對(duì)比見表2。隨著國內(nèi)半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,目前帶24bits Sigma-delta ADC的模擬前端完成實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化,且性能不輸國際同行,可以放心選擇。
(來源:芯??萍迹?/span>
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