温度测量系统对模数转换器的性能要求

温度测量系统中的模数转换器(ADC)是将温度传感器的模拟信号转换成数字信号的关键组件，对于整个系统的性能和精确度至关重要。在深入探讨之前，有必要了解不同类型的温度传感器和它们的输出信号特点。 热电偶是一种常见的温度传感器，它的基本原理是基于两种不同金属材料在温度梯度下产生电压差（塞贝克效应）。热电偶能测量的温度范围很广，适合在恶劣环境下使用，其输出信号为毫伏级，因此放大电路是必不可少的。为了获得高精度的测量结果，需要采用高性能的模数转换器，通常要求高分辨率和低噪声。 在设计热电偶温度测量系统时，还需考虑热电偶与电路板连接点可能出现的热电偶效应，这会引入额外的电压偏差。为了消除这一影响，常常采用冷接点补偿技术，即测量并补偿热电偶与电路板连接处的温度。 在模数转换器方面，Σ-Δ型（西格玛-德尔塔型）模数转换器由于其高精度和低噪声特性，特别适合用于热电偶系统中。例如，AD7792/AD7793等高精度ADC，具有内置的仪表放大器和差分模拟输入，能够有效提升信号的模数转换质量。此外，它们通常内建有低噪声、低漂移的带隙基准电压源，确保了转换精度。采用单电源工作能力也简化了电路设计。 电阻温度探测器（RTD）也是一种广泛使用的温度传感器，其电阻值随温度变化而变化，基于此特性进行温度测量。RTD的精度通常高于热电偶，适用于较宽的温度范围（-200°C至+800°C）。典型的RTD材料包括镍、铜和铂，其中铂RTD因其线性度和稳定性而应用最为广泛。 在RTD测量系统中，为了消除引线电阻带来的误差，通常使用三线或四线配置。三线配置需要两个完全匹配的电流源以实现电流的平衡。电流源的绝对精度虽不关键，但它们之间的匹配度对测量精度影响很大。四线配置则更能够实现精密测量，因为它可以完全消除引线电阻的影响。 热敏电阻器（也称为热敏电阻）具有与温度变化相关的电阻值，但其精度和重复性不如RTD。热敏电阻适用于在较狭窄的温度范围内的测量。为了补偿热敏电阻器的温度依赖性，可以采用比率配置，其中电流源同时驱动热敏电阻器和基准电阻器，以减少电流源漂移的影响。 热敏二极管同样可以用于温度测量，其工作原理是基于二极管的正向电压与温度的负相关性。通过测量二极管的基极-发射极电压，可以推算出温度。尽管热敏二极管在某些应用中可能是可行的，但由于其准确性和线性度的限制，它们不如RTD和热电偶在精密测量中的应用广泛。 温度测量系统中的模数转换器必须满足一系列严格的性能要求，包括高分辨率、低噪声以及能够处理微小信号的能力。此外，针对不同类型的温度传感器，如热电偶、RTD和热敏电阻器，必须选择合适的信号放大和补偿方案，以确保测量精度和系统性能。在实际应用中，选择和设计模数转换器时，还需要根据实际的温度范围、精度要求和成本效益等因素，进行全面的技术考量。