【導(dǎo)讀】每個(gè)電子設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)不同的測(cè)試才能確定其預(yù)期性能。這是該設(shè)備獲準(zhǔn)投放市場(chǎng)之前的必要步驟。需要進(jìn)行的一項(xiàng)重要測(cè)試是溫度測(cè)量，以確定產(chǎn)品有效工作的溫度范圍。更重要的是，和工作溫度是已知的。
每個(gè)電子設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)不同的測(cè)試才能確定其預(yù)期性能。這是該設(shè)備獲準(zhǔn)投放市場(chǎng)之前的必要步驟。需要進(jìn)行的一項(xiàng)重要測(cè)試是溫度測(cè)量，以確定產(chǎn)品有效工作的溫度范圍。更重要的是，和工作溫度是已知的。
本文介紹了如何使用由 delta-sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和現(xiàn)代處理器。該 DAS 提供高性能且經(jīng)濟(jì)高效。
這里介紹的開(kāi)發(fā) DAS 可以快速解決設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)挑戰(zhàn)，并在 PRTD 的范圍（-200°C 至 +850°C）內(nèi)實(shí)現(xiàn)的溫度測(cè)量。
鉑電阻溫度探測(cè)器 (PRTD) 是溫度傳感設(shè)備，可確保在 -200°C 至 +850°C 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行可重復(fù)測(cè)量。此外，鉑非常穩(wěn)定，不會(huì)受到腐蝕或氧化的影響。因此，PRTD 為需要溫度測(cè)量的精密工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用提供了性能。
PRTD 幾乎是線(xiàn)性設(shè)備。根據(jù)溫度范圍和其他標(biāo)準(zhǔn)，您可以通過(guò)計(jì)算 -20°C 至 +100°C 溫度范圍內(nèi)的 PRTD 電阻變化來(lái)進(jìn)行線(xiàn)性近似。1 對(duì)于更寬的溫度范圍（-200°C 至 +850 °C），但為了獲得更高的精度，溫度測(cè)量 PRTD 標(biāo)準(zhǔn) (EN 60751:2008) 通過(guò)稱(chēng)為 Callendar-Van Dusen 方程的非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型定義了鉑電阻與溫度的關(guān)系。
多年前，此類(lèi)算法的實(shí)施可能會(huì)給 DAS 設(shè)計(jì)帶來(lái)技術(shù)和成本限制。當(dāng)今的現(xiàn)代處理器（如MAXQ2000）和價(jià)格實(shí)惠的PC可以快速且經(jīng)濟(jì)高效地解決這些挑戰(zhàn)，同時(shí)為用戶(hù)提供友好的圖形顯示。
Callendar-Van Dusen 方程可用于此類(lèi)現(xiàn)代 DAS，以在 -200°C 至 +850°C 的寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)將誤差降低至可忽略的水平。精度將達(dá)到±0.3°C 或更高。
設(shè)計(jì)示例 DAS
本文討論的 DAS 在 -20°C 至 +100°C 的 PRTD 線(xiàn)性溫度范圍內(nèi)提供高分辨率、低噪聲測(cè)量。在不使用 Callendar-Van Dusen 方程的情況下，其精度為 ±0.15%。通過(guò)使用 PRTD1000 (PTS1206-1000Ω)（一種非常常見(jiàn)的鉑 RTD），尺寸和成本效益兼?zhèn)?，在給定范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 ±0.05°C 的溫度分辨率。
這個(gè)簡(jiǎn)單的DAS使用MAX11200 24位delta-sigma ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并使用低功耗、經(jīng)濟(jì)高效的MAXQ2000處理器2進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。DAS 在 PC 中實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性化算法。也可以使用任何其他有能力的處理器、控制器或DSP。
PTS1206-1000Ω 等 PRTD 器件對(duì)于 -55°C 至 +155°C 的溫度范圍來(lái)說(shuō)是一個(gè)有吸引力的選擇，因?yàn)樗鼈儾捎脴?biāo)準(zhǔn)表面貼裝器件 (SMD) 尺寸，與表面貼裝電阻器封裝非常相似，并且價(jià)格在低單美元范圍內(nèi)。對(duì)于 -50°C 至 +500°C 的溫度范圍，薄膜 PRTD 是一種經(jīng)濟(jì)高效的實(shí)用選擇。3 薄膜 PRTD 由沉積在陶瓷基板上的薄膜鉑和玻璃涂層鉑元件組成。電阻和溫度偏差可控制在 ±0.06% 和 ±0.15°C 以?xún)?nèi)，該公差對(duì)應(yīng)于 EN 60751 的 A 級(jí)。對(duì)于液體或腐蝕性環(huán)境中的高溫測(cè)量，薄膜 PRTD 通常放置在保護(hù)罩內(nèi)探測(cè)。
圖 1 是顯示為本文開(kāi)發(fā)的精密 DAS 的簡(jiǎn)化示意圖。
它使用 MAX11200 ADC 評(píng)估 (EV) 套件。MAX11200的GPIO1引腳設(shè)置為輸出來(lái)控制繼電器校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)選擇固定RCAL電阻或PRTD。這種多功能性提高了系統(tǒng)精度，將所需的計(jì)算減少到 RA 和 RT 初始值的計(jì)算量，同時(shí)提供出色的系統(tǒng)診斷。
處理數(shù)據(jù)
MAXQ2000-RAX微控制器上的固件管理以下主要功能，如圖2所示：
1. 初始化MAX11200 ADC
2. 收集并處理ADC的輸出數(shù)據(jù)
3. 維護(hù)與PC的USB接口
在初始化期間，MAX11200 ADC會(huì)執(zhí)行自校準(zhǔn)過(guò)程，設(shè)置采樣率(10sps或15sps)，并啟用輸入信號(hào)緩沖器。采樣率的選擇對(duì)于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的溫度測(cè)量非常重要。該 DAS 可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)快速的數(shù)據(jù)采集，并具有出色的（100dB 或更好）電源線(xiàn) 50Hz/60Hz 抑制能力。60Hz 線(xiàn)路頻率抑制的推薦外部時(shí)鐘為 2.4576MHz，這對(duì)于 1、2.5、5、10 和 15sps 的數(shù)據(jù)速率有效。對(duì)于 50Hz 線(xiàn)路頻率抑制，建議的外部時(shí)鐘為 2.048MHz，這對(duì)于 0.83、2.08、4.17、8.33 和 12.5sps 的數(shù)據(jù)速率有效。
使用輸入信號(hào)緩沖器將輸入阻抗增加至高兆歐范圍。這提高了測(cè)量精度，因?yàn)樗鼘?shí)際上消除了輸入動(dòng)態(tài)電流的分流效應(yīng)。
該固件還使用MAX3420E USB接口，因此不需要PC端的驅(qū)動(dòng)軟件。一旦 DAS 通過(guò) USB 連接到 PC，MAX3420E USB 模塊就會(huì)初始化，并且 ADC 溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)就可以傳輸了。
結(jié)論
近年來(lái)，PRTD 成為各種精密溫度傳感應(yīng)用的理想器件，這些應(yīng)用在 -200°C 至 +850°C 的溫度范圍內(nèi)精度和可重復(fù)性至關(guān)重要。如果 ADC 和 PRTD 直接連接，這些應(yīng)用需要低噪聲 ADC。PRTD 和 ADC 共同提供了一個(gè)非常適合便攜式傳感應(yīng)用的溫度測(cè)量系統(tǒng)。這種組合提供了高性能，而且具有成本效益。
為了準(zhǔn)確測(cè)量 PRTD 范圍（-200°C 至 +850°C）內(nèi)的溫度，必須實(shí)施稱(chēng)為 Callendar-Van Dusen 方程 (EN 60751:2008) 的非線(xiàn)性數(shù)學(xué)算法。但就在幾年前，實(shí)施這些算法對(duì) DAS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了技術(shù)和成本限制。當(dāng)今的現(xiàn)代處理器（例如 MAXQ2000）與價(jià)格實(shí)惠的 PC 相結(jié)合，可以快速且經(jīng)濟(jì)高效地解決這些挑戰(zhàn)。
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