温度测量系统对模数转换器的性能要求

热敏二极管  

当然，也可以用 热敏二极管进行温度测量。在这类系统中，通过测量二极管接法晶体管的基极-发射极电压来计算温度。采用两种不同的电流分别通过热敏二极管。测量在每种情况下的基极-发射极电压。由于知道电流的比率，因此可以通过测量两个不同电流情况下的基极-发射极电压差来精确地计算温度。



图3.热敏二极管温度系统模拟电路部分  

在图3中，我们将AD7792/AD7793的激励电流源设置为 10 μA 与210 μA (也可以选择其他值)。首先，让210 μA的激励电流通过二极管，利用模数转换器测量基极-发射极电压。然后，利用10 μA 激励电流重复上述测量。这意味着电流降低到原来的1/21。在测量中电流绝对值并不重要，但是要求电流比率固定。



由于AD7792/AD7793将电流源集成在芯片中，因此能够保证电流源的精确匹配，从而使电流比率保持不变。为了消除影响温度测量的寄生误差，需 要恒定电流比率。测量的两个基极-发射极电压读数被传输至微控制器，然后根据以上公式计算出温度。

其中:
n = 理想因子=被测量,
K = 玻尔兹曼常数,
N = IC2与IC1的比率,
Q = 电子电荷量,
ΔVBE 由模数转换器测量。  

2 对模数转换器的要求结构

温度测量系统通常是低速(每秒采样最多100个)的，因此窄带模数转换器比较适合；但是，模数转换器必须具有高分辨率。窄带与高分辨率的要求，使得Σ-Δ模数转换器成为这种应用的理想选择。  

在这种结构下，开关电容器前端模拟输入连续采样，采样频率明显高于有用带宽（参见图4）。例如，AD7793有一个内置64 kHz时钟。待测的模拟信号接近直流, 但是以K倍信号频率(KfS)进行过采样，从而降低了基带内的量化噪声。量化噪声从直流一直分布到半采样频率(KfS/2)。因此，采用提高的采样频率增大了量化噪声分布的范围，降低了有用频带内的噪声。



图4.过取样、数字滤波、噪声整形和采样抽取对噪声频谱的影响  

Σ-Δ调节器将采样的输入信号转换为数字脉冲串，其“1”的密度包括数字量信息。Σ-Δ调节其还能进行噪声整形。通过噪声整形，有用带宽内的噪声被移到有用带宽以外，到达无用的频率范围。调节器的阶数越高，在有用带宽内对噪声整形的作用就越明显。但是，较高阶调节器容易不稳定。因此，必须在调节器阶数与稳定性之间进行权衡。在窄带Σ-Δ模数转换器中，通常使用二阶或三阶调节器，因此，器件稳定性良好。

调节器后面的数字滤波器对调节器输出进行采样，以给出有效的数据转换结果。该滤波器还能滤除带外噪声。数字滤波器图像频率会出现在主时钟频率的多倍频处。因此，利用Σ-Δ结构意味着所需的唯一外部元件是一个简单的R-C滤波器，用于消除主时钟频率倍频处的数字滤波器镜像频率。Σ-Δ结构使24位模数转换器具有20.5字节的峰-峰分辨率(20.5稳定或无闪烁字节)。
　
增益

通常，来自温度传感器的信号都非常微弱，对于几度的小范围温度变化，热电偶与电阻温度检测器等温度传感器产生的相应模拟电压变化最多仅为数百毫伏。因此，典型满度模拟输出电压只在mV范围内。如果不采用增益级电路，模数转换器的满度范围通常为±VREF。为了使模数转换器的性能最优化，应当使用其大部分的模拟输入范围。在使用这类传感器测量温度时，增益的重要性异常突出。要是没有任何增益，则模数转换器满度范围只有一小部分使用，这将损失分辨率。  

仪表放大器允许开发低噪声、低温漂的增益级电路。低噪声与低温漂非常关键，可以保证因温度变化引起的电压变化大于仪表放大器的噪声电压。AD7793的增益可以设置为1, 2, 4, 8, 16, 32, 64,或128。利用128倍的最大增益设置以及产生的基准电压源，AD7793 的满度范围是±1.17 mV/128 mV或者大约±10 mV。这样，ADC的高分辨率特点保证无需任何外部放大器元件就可以达到最佳效果。

对50 Hz/60 Hz频率的抑制

Σ-Δ模数转换器的内置数字滤波器对于抑制带外量化噪声以及其他噪声源非常有效。噪声源之一是电力网供电系统产生的频率。当电力网为器件供电时，将产生50 Hz及其倍频的供电系统频率（在欧洲），或产生60 Hz及其倍频的供电系统频率（在美国）。窄带模数转换器主要采用sinc滤波器。AD7793有4个滤波器选项，模数转换器可以根据更新速率自动选择需要使用的滤波器种类。在16.6 Hz的更新速率使用sinc3滤波器。如图5所示，sinc3滤波器在频谱内存在凹槽。当输出字速率为16.6 Hz时，可以利用这些凹槽同时抑制50 Hz或60 Hz的频率。



图5.更新速率等于16.6 Hz（斩波频率）时的频率响应? 、