温度测量系统中高精度ADC设计详解

概述

温度测量的传感器有很多种，包括有热电偶、PRTD（platinum resistance temperature detectors）、热敏电阻、热敏二极管等。

系统的精度由温度传感器的精度以及将传感器的数据进行数字化的高性能的ADC决定。在工业以及医疗的应用中很多温度测量通常需要±0.1°C或者更好的测量精度，合理的成本以及更低的功耗。

这些领域的温度测量范围一般都在-200°C~ +1750°C，铂电阻温度传感器被采用在高精度温度测量中是因为其具有优异的精度和互换性，铂电阻传感器是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器，所以一般使用PRTD。

测量精度的影响

PRTD的阻值在温度范围内呈现接近线性相应的温度测量。

PRTD检测温度的接口可采用2线、3线和4线， 提供给ADC差分信号。每一种接口方式有其优缺点，4线的接线方式可以获取最精确的测量结果，缺点是可靠性降低同时增加系统成本，3线接线读数准确，成本更经济，目前使用比较普遍，2线接线最为经济，通常需要利用微处理器或者DSP对引线的IR误差进行补偿。

PRTD测量时的误差主要有:

1、导线电阻导致的误差：PRTD作为一种电阻，它与控制端之间的导线的电阻会导致误差。

2、自热导致的误差：PRTD本身就是一种金属电阻，激励电流通过PRTD时，产生的功耗使得传感器本身温度升高，导致PRTD阻值变大。

3、PRTD的线性误差：PRTD具有近似线性特性，在0°C阻值为100欧的PRTD，到温度到266°C时阻值就会到200欧，但是线性误差会随着温度变化。

高精度的设计

温度测量系统一般都是低速的，每秒钟采样不超出100次，窄带ADC即可满足需求，但是要求ADC具有高精度，本文就如何保证ADC的高精度做如下介绍：

1）利用三线制恒流源驱动Pt1000铂电阻，有效克服了导线电阻和自热效应对测量精度的影响；

2）利用单片机计算双极性驱动电流下的两次测量电压可有效避免接线势垒电压及放大器、A／D转换器的失调与漂移产生的系统误差；

3）恒流源与A／D转换器共用参考基准，有效消除了参考基准不稳定产生的误差。

4）在MCU中采用MLS数值算法抵消噪声，进一步克服了噪声和随机误差对测量精度和稳定度的影响，大大提高了温度测量精度和稳定度。

5）ADC具有差分模拟输入，并且接受差分基准电压，从而可以实现比率配置。从图1中可见，恒流电流源提供给ADC基准电压源，精密的恒流源产生的电压提供给ADC的差分参考输入端，ADC的模拟输入电压和参考电压成正比。有PRTD电流源温度漂移引起的模拟输入电压的任何误差都可以通过其基准电压的偏差来补偿。

图1 三线制高精度温度测量系统

此外，温度测量系统对于ADC以及系统的其他电子元器件需求都要求比较高，温度传感器产生的微小的模拟信号需要用低噪声的增益放大器放大，同时要求放大电路的噪声不能淹没传感器的微弱信号。模数转换部分需要高精度的ADC将传感器输出的模拟信号数字化，高精度的∑-△类的ADC比较适合。除了ADC以及放大电源，激励电流源和基准电压源必须具有低漂移、低噪声的特性，以便提供更好的系统精度。

审核编辑：符乾江