【導讀】zhengrubenxiliewenzhangshangpiansuotaolunde

，shejiheyouhuajiyuremindianzudeyingyongjiejuefanganshejidaobutongtiaozhan。zhexietiaozhanbaokuoshangpianwenzhongtaolunguodechuanganqixuanzehedianlupeizhi。qitatiaozhanyouceliangyouhua——包括ADC配置和選擇外部元件，同時確保ADC在規格範圍內運行以及係統優化，從而實現目標性能並確定與ADC和整個係統相關的誤差源。

簡介

zhengrubenxiliewenzhangshangpiansuotaolunde，shejiheyouhuajiyuremindianzudeyingyongjiejuefanganshejidaobutongtiaozhan。zhexietiaozhanbaokuoshangpianwenzhongtaolunguodechuanganqixuanzehedianlupeizhi。qitatiaozhanyouceliangyouhua——包括ADC配置和選擇外部元件，同時確保ADC在規格範圍內運行以及係統優化
，從而實現目標性能並確定與ADC和整個係統相關的誤差源。

熱敏電阻係統優化

通過熱敏電阻配置器和誤差預算 計ji算suan器qi等deng易yi於yu使shi用yong的de工gong具ju
，客ke戶hu可ke以yi輕qing鬆song配pei置zhi係xi統tong中zhong的de熱re敏min電dian阻zu，包bao括kuo接jie線xian和he連lian接jie圖tu。該gai工gong具ju以yi比bi率lv式shi配pei置zhi設she計ji具ju有you激ji勵li電dian壓ya的de熱re敏min電dian阻zu係xi統tong。它ta還hai允yun許xu客ke戶hu調tiao整zheng傳chuan感gan器qi類lei型xing、被測溫度範圍、線性化和外部元件等設置，如圖1所示。它確保ADC和(he)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)傳(chuan)感(gan)器(qi)均(jun)在(zai)規(gui)格(ge)範(fan)圍(wei)內(nei)使(shi)用(yong)。因(yin)此(ci)，如(ru)果(guo)客(ke)戶(hu)選(xuan)擇(ze)了(le)不(bu)受(shou)支(zhi)持(chi)的(de)選(xuan)項(xiang)

，該(gai)工(gong)具(ju)會(hui)標(biao)記(ji)這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)錯(cuo)誤(wu)條(tiao)件(jian)。例(li)如(ru)，如(ru)果(guo)客(ke)戶(hu)選(xuan)擇(ze)的(de)最(zui)大(da)溫(wen)度(du)值(zhi)超(chao)出(chu)特(te)定(ding)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)型(xing)號(hao)的(de)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)
，它(ta)就(jiu)會(hui)顯(xian)示(shi)錯(cuo)誤(wu)
，如(ru)圖(tu)2所示。遵循推薦的範圍值同樣會確保係統配置符合傳感器和電子器件的工作條件。

圖1.熱敏電阻配置器

圖2.越界條件

該工具使用戶能夠了解不同的誤差源，並且還允許進行設計優化。請注意，該工具是圍繞AD7124-4/AD7124-8設計的，因此它還決定了可以連接到單個ADC的傳感器數量。為了了解該工具的重要性，下麵討論熱敏電阻要考慮的不同設計因素。

係統配置（激勵
、增益和外部元件）

與RTD類(lei)似(si)，熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)也(ye)容(rong)易(yi)自(zi)發(fa)熱(re)，因(yin)為(wei)當(dang)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)其(qi)中(zhong)時(shi)，電(dian)阻(zu)會(hui)消(xiao)耗(hao)功(gong)率(lv)。因(yin)此(ci)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)讓(rang)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)流(liu)保(bao)持(chi)在(zai)盡(jin)可(ke)能(neng)低(di)的(de)水(shui)平(ping)
，以(yi)使(shi)其(qi)功(gong)耗(hao)不(bu)會(hui)對(dui)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)產(chan)生(sheng)顯(xian)著(zhu)影(ying)響(xiang)。首(shou)先(xian)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)傾(qing)向(xiang)於(yu)選(xuan)擇(ze)更(geng)高(gao)的(de)激(ji)勵(li)電(dian)壓(ya)值(zhi)來(lai)產(chan)生(sheng)更(geng)高(gao)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)

，以(yi)便(bian)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)ADCdeshurufanwei。raner
，remindianzuchuanganqijuyoufuwenduxishu，qidianzuhuisuizhewendudeshenggaoerjiangdi，yinciliuguotadedianliuzhiyueda
，qigonghaoyuegao，congerdaozhizifare。

conghaodefangmianlaishuo

，remindianzubuxuyaohengaodejiliyuanzhi，yinweizaiedingwendufanweinei
，qijiaogaodelingmindutexingkeyichanshengconghaofudaofutedeshuchudianya。suoyi，shiyongADC基準電壓值之類的激勵電壓就足夠了，並且它支持比率式配置。通過將PGA增益設置為1，該技術還能確保熱敏電阻整個輸出電壓範圍或ADC模擬輸入端的電壓始終處於ADC工作輸入範圍內。該工具使用AD7124-4/AD7124-8提供的內部2.5V基準電壓。當使用1倍增益時，PGA也關斷
，從而減少總電流消耗。AD7124-4/AD7124-8還集成了模擬輸入緩衝器，允許在外部使用不限大小的電阻和/或電容值
，因此它們非常適合直接連接到外部電阻型傳感器（如熱敏電阻），或連接電磁兼容(EMC)濾波
，而不會增加誤差。但是，若在增益為1時使用ADC且qie使shi能neng模mo擬ni輸shu入ru緩huan衝chong器qi
，則ze有you必bi要yao確que保bao提ti供gong正zheng確que運yun行xing所suo需xu的de裕yu量liang。該gai工gong具ju還hai允yun許xu設she計ji人ren員yuan平ping衡heng外wai部bu元yuan件jian的de選xuan擇ze，包bao括kuo外wai部bu裕yu量liang電dian阻zu的de容rong許xu範fan圍wei
、建議的檢測電阻值及其容差和漂移性能。熱敏電阻工具還提供常用熱敏電阻類型清單，並允許設計人員輸入任何類型NTC熱敏電阻的標稱值和beta (β)或Steinhart-Hart常數。傳感器的精度、外部元件及其對係統誤差的貢獻
，以及傳感器所用線性化技術的影響
，將在後麵討論。

濾波和功耗考慮

Σ-Δ型ADC使用數字濾波器，數字濾波器的頻率響應在采樣頻率和采樣頻率倍數處提供0dB衰減。這意味著濾波器響應在采樣頻率周圍被反射，因此模擬域中需要一個抗混疊濾波器。Σ-Δ型ADC本身會對模擬輸入信號過采樣

，因此抗混疊濾波器的設計得以簡化，一個簡單的（單極點）RC濾波器就夠了。例如，AD7124-4/AD7124-8隻要求每個模擬輸入串聯一個1kΩ電阻，AINP到AINM之間使用一個0.1μF電容

，以及每個模擬輸入引腳到AVSS之間使用一個0.01μF電容。

在大多數工業應用或過程控製中，強大的穩健性是首要任務之一。係統可能會遇到來自其相鄰元器件或環境的噪聲
、瞬變或其他幹擾。出於EMC目的
，模擬輸入端通常使用較大的R和C值。但請注意
，當轉換器在增益為1的無緩衝模式下運行時，輸入直接進入調製器的采樣電容
，因此較大RC值可能引起增益誤差，因為在兩個采樣時刻之間，ADC沒有足夠的時間完成建立。對模擬輸入進行緩衝可防止這些誤差。

來自交流電源的幹擾也會影響測量結果。因此，當器件由交流電源供電時
，50Hz/60Hz抑製也是係統要求之一。AD7124-4/AD7124-8等窄帶Σ-Δ型ADC的另一個優勢是它提供靈活的數字濾波選項，可以將陷波頻率設置為50Hz和/或60Hz。

所選濾波器類型以及所設置的輸出數據速率會影響建立時間及其噪聲性能。該器件還提供不同的功耗模式，用戶可以調整ADC以獲得最優功耗、速(su)度(du)或(huo)性(xing)能(neng)。係(xi)統(tong)的(de)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)或(huo)功(gong)耗(hao)預(yu)算(suan)分(fen)配(pei)高(gao)度(du)依(yi)賴(lai)於(yu)最(zui)終(zhong)應(ying)用(yong)。如(ru)果(guo)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)較(jiao)高(gao)輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)和(he)較(jiao)好(hao)的(de)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)，可(ke)以(yi)將(jiang)器(qi)件(jian)配(pei)置(zhi)為(wei)全(quan)功(gong)率(lv)模(mo)式(shi)。如(ru)果(guo)在(zai)合(he)理(li)的(de)速(su)度(du)和(he)合(he)理(li)的(de)性(xing)能(neng)下(xia)需(xu)要(yao)限(xian)製(zhi)功(gong)耗(hao)
，則(ze)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)在(zai)中(zhong)等(deng)或(huo)低(di)功(gong)耗(hao)模(mo)式(shi)下(xia)運(yun)行(xing)。

除了精度或性能之外
，時序也是一個因素。在大多數應用中
，為了執行所有測量，需要滿足特定時間要求。如果使能多個通道（即使用多個傳感器），設計人員需要考慮通過數字濾波器的延遲。在多路複用ADC中

，當使能多個通道時，每次切換通道都需要一個建立時間。因此
，選擇具有較長建立時間的濾波器類型（即sinc4或sinc3）會降低整體吞吐速率。在這種情況下
，可使用後置濾波器或FIR濾波器以較短的建立時間提供合理的50 Hz/60 Hz同(tong)時(shi)抑(yi)製(zhi)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)吞(tun)吐(tu)速(su)率(lv)。所(suo)有(you)濾(lv)波(bo)器(qi)選(xuan)項(xiang)和(he)輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)選(xuan)擇(ze)的(de)子(zi)集(ji)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)配(pei)置(zhi)器(qi)和(he)誤(wu)差(cha)預(yu)算(suan)計(ji)算(suan)器(qi)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)。這(zhe)將(jiang)產(chan)生(sheng)期(qi)望(wang)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)，並(bing)將(jiang)饋(kui)送(song)到(dao)下(xia)一(yi)節(jie)將(jiang)要(yao)討(tao)論(lun)的(de)係(xi)統(tong)誤(wu)差(cha)計(ji)算(suan)中(zhong)。請(qing)注(zhu)意(yi)
，輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)/FS值/吞吐速率的全部選擇可通過Virtual Eval在線工具獲得。Virtual Eval顯示了不同場景的時序，無論是測量單個還是多個熱敏電阻傳感器
，都可以使用它來評估ADC的時序性能。

誤差預算計算

如前所述，熱敏電阻配置器和誤差預算計算器允許用戶修改係統配置以獲得最優性能。圖3所示的誤差預算計算器可幫助設計人員了解與ADCxiangguandewucha，yijilaizixitongpeizhidewucha
，wulunshifoujinxingneibuhuoxitongxiaozhun。xitongcuowubingtuzhishixitongdenagebufenduixitongzongwuchadegongxianzuida。yinci
，kehukeyixiugaiADC或係統配置以實現最優性能。

圖3.熱敏電阻誤差預算計算器

如圖3所示，ADC引yin起qi的de誤wu差cha不bu是shi係xi統tong總zong誤wu差cha的de重zhong要yao貢gong獻xian因yin素su。在zai全quan溫wen度du範fan圍wei內nei工gong作zuo時shi，外wai部bu元yuan件jian及ji其qi溫wen度du係xi數shu或huo溫wen度du漂piao移yi規gui格ge通tong常chang是shi整zheng個ge係xi統tong的de主zhu要yao誤wu差cha因yin素su。

例如，如果我們在工具中將檢測電阻的溫度係數從10ppm/°C改為25ppm/°C
，您會發現係統總誤差顯著增加。因此
，必須選擇具有較好初始精度和較低溫度係數的檢測電阻，以使任何可能的溫度漂移誤差最小。

AD7124-4/AD7124-8提供不同的校準模式，使用校準可進一步減少測量誤差。建議在上電或軟件初始化時進行內部校準，以消除標稱溫度時的ADC增益和失調誤差。請注意，該工具使用的增益設置為1。AD7124-4/AD7124-8出廠校準增益為1，所得增益係數是器件的默認增益係數。因此
，該器件在增益為1時不支持進一步的內部滿量程校準。注意，在標稱溫度進行的內部校準隻能消除AD7124-4/AD7124-8dezengyiheshitiaowucha，erbunengxiaochuwaibudianluyinqidezengyiheshitiaowuchayijirenhepiaoyiwucha。zhixingxitongxiaozhunkexiaochuwaibuwucha。zaibutongwendudianzhixingxiaozhunyekegaishanpiaoyixingneng。danshi，zhehuizengjiachengbenhegongzuoliang
，bingqiekenengbushihemouxieyingyong。

故障檢測

對(dui)於(yu)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing)或(huo)安(an)全(quan)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)應(ying)用(yong)，診(zhen)斷(duan)特(te)性(xing)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)
，甚(shen)至(zhi)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)。即(ji)使(shi)對(dui)於(yu)非(fei)安(an)全(quan)設(she)計(ji)，診(zhen)斷(duan)也(ye)能(neng)提(ti)高(gao)穩(wen)健(jian)性(xing)，確(que)保(bao)設(she)計(ji)的(de)所(suo)有(you)模(mo)塊(kuai)都(dou)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)
，並(bing)且(qie)處(chu)理(li)器(qi)僅(jin)接(jie)收(shou)和(he)處(chu)理(li)有(you)效(xiao)數(shu)據(ju)。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷減少了對外部元件實現診斷的需求
，使得解決方案尺寸更小、時間更短且成本更低。診斷包括：

► 檢查模擬引腳上的電壓電平，確保其在額定工作範圍內

► 基準電壓檢查

► 串行外設接口(SPI)總線的循環冗餘校驗(CRC)

► 存儲器映射的CRC

► 信號鏈檢查

這些診斷使得解決方案更強大。

熱敏電阻係統評估

對係統設計進行概念化並了解預期係統性能之後
，設計師的下一步是製作原型並驗證設計的性能。CN-0545是Circuits from the Lab®參考設計，它利用EVAL-AD7124-4/EVAL-AD7124-8評估板及其評估軟件提供0.1°C精度的熱敏電阻的測量數據。CN-0545中的電路使用一個10kΩ、44031型NTC熱敏電阻傳感器
，其額定測量範圍為–50°C至+150°C，0°C至+70°C之間的精度為±0.1°C
，更寬溫度範圍內的精度為±1°C。

圖4顯示了CN-0545的測量結果。該測量數據是利用AD7124-4/AD7124-8評估板獲得的
，該評估板包括熱敏電阻演示模式
，可測量熱敏電阻的電阻並使用傳感器的Steinhart-Hart常數計算等效溫度(°C)。該gai圖tu顯xian示shi了le實shi際ji性xing能neng結jie果guo。如ru果guo將jiang其qi與yu誤wu差cha預yu算suan計ji算suan器qi進jin行xing比bi較jiao，實shi際ji結jie果guo可ke能neng比bi該gai工gong具ju提ti供gong的de估gu計ji值zhi要yao好hao。這zhe種zhong差cha異yi是shi由you於yu該gai工gong具ju使shi用yong了le所suo有you參can數shu的de最zui大da值zhi

，因yin此ci它ta提ti供gong的de是shi電dian路lu的de最zui差cha情qing況kuang分fen析xi。在zai實shi踐jian中zhong

，傳chuan感gan器qi漂piao移yi


、初始精度以及係統中使用的電子設備和元件的溫度漂移並不總是處於額定最大值。

圖4.熱敏電阻溫度精度測量，後置濾波器，低功耗模式，25SPS

提(ti)供(gong)這(zhe)種(zhong)經(jing)過(guo)驗(yan)證(zheng)的(de)靈(ling)活(huo)參(can)考(kao)電(dian)路(lu)板(ban)對(dui)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)很(hen)有(you)價(jia)值(zhi)，因(yin)為(wei)它(ta)能(neng)縮(suo)短(duan)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)並(bing)提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)電(dian)路(lu)技(ji)術(shu)。除(chu)了(le)硬(ying)件(jian)
，軟(ruan)件(jian)還(hai)支(zhi)持(chi)針(zhen)對(dui)每(mei)個(ge)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)不(bu)同(tong)係(xi)統(tong)優(you)化(hua)和(he)校(xiao)準(zhun)技(ji)術(shu)
，以(yi)滿(man)足(zu)市(shi)場(chang)對(dui)易(yi)於(yu)使(shi)用(yong)
、高精度
、精密、可靠信號鏈解決方案的需求。

為(wei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)提(ti)供(gong)工(gong)具(ju)和(he)硬(ying)件(jian)演(yan)示(shi)模(mo)式(shi)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)簡(jian)化(hua)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)

，但(dan)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)有(you)不(bu)同(tong)的(de)測(ce)量(liang)處(chu)理(li)辦(ban)法(fa)，並(bing)且(qie)可(ke)能(neng)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)進(jin)行(xing)軟(ruan)件(jian)處(chu)理(li)。為(wei)了(le)進(jin)一(yi)步(bu)簡(jian)化(hua)開(kai)發(fa)過(guo)程(cheng)
，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)固(gu)件(jian)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)AD7124溫度測量演示示例來生成自定義代碼
，它支持選擇控製器板、軟件平台
、器件配置和測量傳感器（如熱敏電阻）。這個開源Mbed平台支持150多種經過修改或未經修改的控製器板。因此
，它支持快速原型設計，開發工作將更加快捷。

結論

由you此ci可ke見jian
，設she計ji基ji於yu熱re敏min電dian阻zu的de溫wen度du測ce量liang係xi統tong是shi一yi個ge具ju挑tiao戰zhan性xing的de多duo步bu驟zhou過guo程cheng。為wei使shi係xi統tong設she計ji人ren員yuan的de設she計ji之zhi旅lv更geng輕qing鬆song，可ke以yi使shi用yong熱re敏min電dian阻zu配pei置zhi器qi

、誤差預算計算器、Virtual Eval
、評估板硬件和軟件、Mbed固件和CN-0545來應對不同的挑戰
，例如連接問題和總誤差預算，將用戶的設計體驗提升到更高層次。

使用高集成度、低帶寬Σ-Δ型ADC可進一步減少設計工作，因為它們提供了激勵、調理、測量傳感器所需的構建模塊，同時消除了50Hz/60Hz抑製等問題。這種集成度加上完整的係統資料或生態係統，將能簡化整體係統設計，降低成本，縮短從概念到原型的設計周期。

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Analog Devices, Inc. 在現代數字經濟的中心發揮重要作用
，憑借其種類豐富的模擬與混合信號、電源管理
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（來源：ADI公司，作者：ADI公司精密轉換器技術部Jellenie Rodriguez和ADI工程師Mary McCarthy）

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