一直以來,有很多朋友使用14X,13X,43X,44X這樣內部帶ADC12的片子來做12BIT的AD模數采集,還有一些用上了TI新出不久的SD16,(目前僅集成在FE42X,FW42X,F42X,F42X0上),當然,也有嫌12BIT精度太低的,用上了外部16/14/24BITADC的,本主題主要通過ZOGLAB所進行過的一些開發實例,淺要的談談在這些應用中
1,模擬前端設計
2,電源隔離及紋波處理,
3,低功耗的硬件設計
4,軟件濾波
5,精度校正
6,可靠性分析
7,相關產品的開發經驗談
關于模擬前端的設計
事實上,在一個AD采集系統里，最復雜和最難的是模擬前端---AFE,因為這個設計直接影響到后面的測量/分辨精度和采用的算法,可以這么說,模擬前端設計好,可以省很多CODE的時間去做軟件濾波,實際上一些軟件濾波不是提高精度,而是降低了AD采集的靈敏度,這些在我們做一些低速信號或者直流信號時基本感覺不到,在市電或者其他交變信號的采集時,這些尤為明顯.
建議,各位做高精ADC采集的時候,盡可能將信號過運放處理,因為這樣可以避免MSP430ADC12/SD16采集的輸入阻抗誤差,因為ADC12不是運放輸入,SD16的運放輸入要求阻抗>2M,很多應變橋可能輸出阻抗只有幾10K,阻抗不匹配造成最大的問題就是采樣精度受溫度,電壓等影響大,最壞的可能性就是與真實信號誤差大
下面將就RTD溫度測量和電阻應變橋測量做個簡單的分析(下述電路如果要提高精度和PSRR(電源抑止比),可采用差分輸入方式)
下圖為使用PT100溫度傳感器的典型恒流--->電壓輸出--->AD采集電路
如上圖所述
溫度檢測器為PT100,其在0攝氏度時的電阻為100歐,一些精密的RTD用3線或者4線制,其目的就是為了減少RTD引線上的電阻影響精度,這個線路電阻就是圖中的RW.
目前一些熱表和溫度檢測設備使用PT100或者PT1000來測量,最簡單的辦法就是用這樣的電路來構件一個模擬前端.當然,也有用RC時間參數來做DELTA-SIGMA ADC的,那種辦法的時間越長精度越高,但是要求時鐘基準比較穩定.(一些F41X的熱表應用上常用的測溫就用這個辦法.)
在上述電路中,比較關鍵的是基準電壓和運放的選擇,在這里要強調的一點,很多朋友往往認為基準電壓的精度越高越好,當然,這個是無可厚非的,但是在成本要求相對較高的情況下,我們需要的是-----基準電壓的溫度線性要好.因為在電路里,供電電壓波動的情況有,但是一般我們都給出了超過基準電壓足夠范圍的電壓,以保證基準能穩定輸出.但是一個很常見的問題就是溫度漂移,有可能來自設備本身---因為工作時間長了PCB要升溫;也有可能來自外部---因為有些地方夏季和冬季的溫度偏差有時可以到90攝氏度以上(-30C--60C),這樣的條件勢必對基準要求更高了
下面我們按性價比依次列了下,TI出品的LM285,TLV431,REF30XX都是不錯的選擇,主要是TI的基準相對來說功耗小，溫度漂移相對也小,本人用的最滿意的是TI的LM285-1.2,基本上在-15~75C的大范圍內,基準輸出電壓變化小于1MV,REF30XX的電壓精度是0.2%,溫度漂移50PPM,適合12位以上精度采集的要求,它的價格相對較高了.目前TI還推出了REF31XX,32XX,32系列的已經可以作到4PPM.這個基本上可以和ADI公司的高精度基準媲美了
說完基準,我們要談談運放,運算放大器在模擬前端里相對來說是最重要的器件了.要根據電路特點,選擇是否帶零漂校準的,是否低嘈聲的,是否滿足帶寬,是否R2R--軌對軌等等.
在溫度檢測的這個電路里,目前我們可以看到的是用了一個MICROCHIP公司的MCP運放,功耗相對比較低,實際上在這個系統里,我們還可以考慮用TLV系列的產品,比如TLV2254,同樣也是一個4運放,嘈聲更小.在類似的電路里,我們對帶寬的要求相對較少,基本都是DC信號,但是另一個概念--R2R,軌對軌,就是說,要求運放輸出的電壓能到其供電電壓,具有這個功能的運放就適合做滿幅測量,不象老運放要正負電壓,還不能輸出等于VCC的電壓.
關于運放的重要性和選擇,我們在下一個跟貼上繼續,下面主要介紹下電阻應變橋的ADC模擬前端,這部分相對要求的都是12BIT/16BIT/24BIT的精度，因此對運放的要求更高了,還要考慮零點漂移
一個恒流驅動的電阻應變橋
上述是一個恒壓驅動下的電阻應變橋,實際上這是一個硅壓電阻應變橋,是目前小體積壓力測量上精度不錯的一種傳感器;下圖是其同一系列中恒流驅動器件的典型電路.
在這兩個電路中,最主要的就是要求所有的運放都是低嘈聲的.因為此類應變橋傳感器輸出都是在MV級的信號,測量分辨率有時要達到UV級別.因此,抑制運放的嘈聲以及電源的嘈聲都非常重要.此外,注意一下,在圖中的A3.實際上這個電路就是用做零點漂移的調節.這里提下,什么是零點漂移,實際就和我們使用指針萬用表一樣,有時電池的電壓變了,測量歐姆檔的時候要調零,因為有些外部因數導致傳感器輸出有零點漂移,也就是說可能受時間影響或者電氣特性發生變化后,通過電路調節其輸出.
一個硅壓傳感器的實物
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