ADC规格参数/分析 - 测试仪器基础应用知识总结（二）：十大故障诊断方法

　　ADC规格参数/分析

　　表3所示为MAX11200的基本性能指标，具有图4中所示的电路特性。

　　表3. MAX11200的主要技术指标 MAX11200Comments

　　Sample Rate （sps）10 to 120The MAX11200‘s variable oversampling rate can be optimized for low noise and for -150dB line-noise rejection at 50Hz or 60Hz.

　　Channels1GPIOs allow external multiplexer control for multichannel measurements.

　　INL （ppm， max）±10Provides very good measurement linearity.

　　Offset Error （µV）±1Provides almost zero offset measurements.

　　Noise-Free Resolution （Bits）19.0 at 120sps; 19.5 at 60sps; 21.0 at 10spsVery high dynamic range with low power.

　　VDD （V）AVDD （2.7 to 3.6）

　　DVDD （1.7 to 3.6）AVDD and DVDD ranges cover the industry’s popular power-supply ranges.

　　ICC （µA， max）300Highest resolution per unit power in the industry; ideal for portable applications.

　　GPIOsYesAllows external device control， including local multiplexer control.

　　Input Range0 to VREF， ±VREFWide input ranges

　　Package16-QSOP，

　　10-µMAX® （15mm²）Some models like the MAX11202 are offered in a 10-µMAX package—a very small size for space-constrained designs.

　　本文中使用的MAX11200是一款低功耗、24位、Σ-Δ ADC，适合于需要宽动态范围、高分辨率的低功耗应用。利用该ADC，基于式3和4可计算图3电路的温度分辨率。

　　（式3）

　　（式4）

　　式中：

　　Rtlsb为热电偶在1 LSB时的分辨率；

　　Rtnfr为热电偶无噪声分辨率（NFR）；

　　VREF为基准电压；

　　Tcmax为测量范围内的热电偶最大温度；

　　Tcmin为测量范围内的热电偶最小温度；

　　Vtmax为测量范围的热电偶最大电压；

　　Tcmax为测量范围内的热电偶最小电压；

　　FS为ADC满幅编码，对于双极性配置的MAX11200为（223-1）；

　　NFR为ADC无噪声分辨率，对于双极性配置的MAX11200为（220-1），10Sa/s时。

　　表4所列为利用式3和4计算表1中K型热电偶的测量分辨率。

　　表4. K型热电偶在不同温度范围内的测量分辨率 Temperature Range （°C）-200 to 00 to 500500 to 1372

　　Voltage Range （mV）-5.89120.64434.242

　　Rtlsb Resolution （°C/LSB）0.01210.00870.0091

　　Rtnfr Resolution （°C/NFR）0.09710.06930.0729

　　表4中提供了每个温度范围内的°C/LSB误差和°C/NFR误差计算值。无噪声分辨率（NFR）表示ADC能够可靠区分的最小温度值。对于整个温度范围，NFR值低于0.1°C，对于工业和医疗应用中的大多数热电偶远远足够。

　　热电偶与MAX11200评估板的连接

　　MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。评估板可帮助设计工程师快速完成项目开发，例如验证图4所示解决方案。

　　在图4所示原理图中，常见的K型OMEGA热电偶（KTSS-116 ［5］）连接至差分评估板输入A1。利用Maxim应用笔记4875中介绍的高性价比比例方案，测量冷端温度的绝对值［3］。R1 （PT1000）输出连接至评估板输入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路复用器MAX4782，复用器动态选择将热电偶或PRTD R1输出连接至MAX11200的输入。

　　K型热电偶（图3、4）在-50°C至+350°C范围内的线性度适当。对于有些不太严格的应用，线性逼近公式（式5）能大大降低计算量和复杂度。

　　近似绝对温度可计算为：

　　（式5）

　　式中：

　　E为实测热电偶输出，单位为mV；

　　Tabs为K型热电偶的绝对温度，单位为°C；

　　Tcj为PT1000实测的热电偶冷端温度，单位为°C ［3］；

　　Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，单位为mV。

　　所以：

　　k = 0.041mV/°C——从-50°C至+350°C范围内的平均灵敏度

　　然而，为了在更宽的温度范围（-270°C至+1372°C）内精密测量，强烈建议采用多项式（式2）和系数（根据NIST ITS-90）：

　　Tabs = ƒ（E + Ecj）（式6）

　　式中：

　　Tabs为K型热电偶的绝对温度，单位为°C；

　　E为实测热电偶输出，单位为mV；

　　Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，单位为mV；

　　f为式2中的多项式函数；

　　TCOLD为PT1000实测的热电偶的冷端温度，单位为°C。

　　图7所示为图4的开发系统。该系统包括经认证的精密校准器，Fluke®-724，作为温度模拟器代替K型OMEGA热电偶。

　　详细图片（PDF， 3.1MB）

　　图7. 图4开发系统

　　Fluke-724校准器提供与K型热电偶在-200°C至+1300°C范围内输出相对应的精密电压，送至基于PT1000的冷端补偿模块。基于MAX11200的DAS动态选择热电偶或PRTD测量值，并通过USB端口将数据送至笔记本计算机。专门开发的DAS软件采集并处理热电偶和PT1000输出产生的数据。

　　表5列出了-200°C至+1300°C温度范围内的测量和计算值，采用式5和6。

　　表5. -200°C至+1300°C范围的测量计算 Temperature （Fluke-724） （°C）PT1000 Code Measured at “Cold Junction” （LSB）Thermocouple Code Adjusted to 0°C by PT1000 Measurements （LSB）Temperature Calculated by Equation 6 and Table 2 （°C）Temperature Error vs. Calibrator （°C）Temperature Calculated by “Linear” Equation 5 （°C）

　　-200326576-16463-199.720.28-143.60

　　-100326604-9930-99.920.08-86.62

　　-50326570-5274-50.28-0.28-46.01

　　032655360.000.000.05

　　20326590225720.190.1919.68

　　10032658311460100.020.0299.96

　　20032648622779200.180.18198.69

　　50032641457747500.160.16503.70

　　10003265201154381000.180.181006.92

　　13003265441465621300.090.091278.40

　　如表5所示，利用式6，基于MAX11200的DAS系统在非常宽的温度范围内可达到±0.3°C数量级的精度。式5中的线性逼近法在很窄的-50°C至+350°C范围内仅能实现1°C至4°C的精度。

　　注意，式6需要相对复杂的线性化计算算法。

　　大约十年之前，在DAS系统设计中实现此类算法会受到技术和成本的限制。当今的现代化处理器速度快、性价比高，解决了这些难题。