0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

12bit ADC MCU+运放额温枪方案不足分析

jf_pJlTbmA9 来源:jf_pJlTbmA9 作者:jf_pJlTbmA9 2023-08-17 16:42 次阅读

因为疫情影响,采用红外测温技术的额外枪是紧俏物资,也是受广大电子工程师们关注的一个热门话题。围绕额温枪的方案,在疫情前基本只存在一种主流方案,其一般采用有效位都在16bits及以上Sigma-delta ADC模拟前端进行测量。然而疫情期间,由于需求爆棚,而早期高精度Sigma-delta ADC模拟前端方案又存在一定的缺口,使得原本不关注这个领域的通用MCU厂商及方案商也介入这个领域,推出了不采用Sigma-delta ADC模拟前端的另一种方案,典型的就是通过带12bits ADC的通用32位MCU搭配运放的方案。那么这两种方案的优劣势如何呢?笔者尝试做几方面分析。

1.精度和动态范围对比

由于传感器探头信号小,而ADC的分辨率有限,为了能够满足0.1℃的测温显示分辨率,因此选择在红外热电堆的传感器探头信号和ADC直接加运放进行信号放大。实际上,要达到0.1℃的显示分辨率,底层分辨率至少0.05℃,而为了后续算法(滤波去噪)处理不带来失真影响测量的准确性,最好底层分辨率是显示分辨率的10倍以上,及0.01℃。单纯为了解决分辨率的问题可以通过提高运放放大倍数着手,但放大倍数也不能任意提高,因为另一个指标对其有约束,这就是动态范围。例如额温枪最少要满足的动态范围是15~35℃环境温度变化时,需测量目标温度32~42℃范围,也就是要达到42-15=+27℃,32-25=-3℃的动态范围。这个是最低要求,实际上考虑使用场景,环境温度范围可能超过15~35℃,如冬天在室外测量环境温度可能到10℃,在夏天热带地区环境温度会到40℃。此外,为了增加额温枪的使用场景提高附加值,一般会设置物温模式,例如测量水温、奶温,特别是对于有哺乳期小孩的家庭非常实用。此时动态范围就要求更宽了,会达到+50℃以上。由于为了提高分辨率而放大信号,而信号放大后又会减小动态范围,因此这两个指标需要统筹考虑,精心设计。而运放本身除了考虑放大倍数会影响测量性能外,还要考虑其失调电压及其漂移、噪声、共模抑制比、输入阻抗电流参数,否则会显著影响最终测量效果。

此外,市场上红外测温探头仍然稀缺,各种类型的传感器不少于15种,各家的信号响应存在一定的差异,再配合探头结构的不同,导致不同传感器探头的信号量存在较大差异。而信号量又显著影响测量分辨率和动态范围的指标,进而对设计带来挑战。表1详细对比分析了不同传感器探头在相同放大倍数时测量分辨率和动态范围的不同。

表1不同传感器探头时测量分辨率和动态范围的对比分析

poYBAGDej2WAWbAAAAFjNhmJvF0947.jpg

表1中,我们先看第2列和第4列采用12bits ADC(考虑非线性、噪声等通常有效位只有11位,例如国内某厂商的12bit ADC有效位只有10.3 bits)的方案。第2列中传感器探头1的信号约30uV/℃,为了达到最小0.1℃有2个LSB的分辨率(倒数第二行),放大倍数需要达到800倍,而此时动态范围(倒数第一行)为+/-46.88℃,可以说是动态范围勉强满足最低要求。第4列中传感器探头2的信号约80uV/℃,此时放大倍数如果仍然为800,则分辨率可以提高到5.2 LSB,但是动态范围只有+/-17.6℃,不满足要求。为了使传感器探头2可以满足要求,必须降低放大倍数至400左右。因此可以说,为了适配不同的传感器探头,采用12bits ADC的方案,需要改变放大倍数去适配,增加了调试时间。而且这也仅仅是最低要求,上面分析说了,分辨率为2个LSB实际上还是会在后续的滤波去噪中给测量带来失真误差(噪声的非线性折叠)影响准确性。如果按照较为理想的情况,分辨率达到0.1℃有10个LSB的分辨率计算,则12bits ADC+运放是无论如何设计也不满足要求的。

那么采用24bits Sigma-delta ADC情况如何呢?表1中第3、5列给出了分析。为了便于对比,我们假设参考电压、传感器探头信号量和上述12bits ADC情况一致,此时24bits Sigma-delta ADC的有效位为18bits,那么当运放放大倍数为32时,不同传感器探头信号量情况下,测量分辨率(倒数第2行)和动态范围(倒数第1行)都可以轻松满足要求,可以说是游刃有余。而且,一般采用24bits Sigma-delta ADC的模拟前端芯片一般会集成32倍放大的运放。

2.其他

模拟前端所带的24bits Sigma-delta ADC一般采用差分方式,且其集成的运放一般也是全差分的,相比而言12 bit ADC的MCU+运放方式都是采用单端方式,其抗RS干扰的性能较前者要差。

另外,对于红外测温的另一个考量是NTC测量环境温度的准确性。由于NTC具有大的内阻(100Kohm级别),且随温度变化很大(从200K级别变化到10K级别),因此对于测量电路的输入阻抗提出了较高的要求。如果直接用ADC进行测量采样,输入阻抗一般在1Mohm以下,使得NTC内阻的变化会导致测温的准确性大打折扣,因此需要再增加一个Buffer电路以进行阻抗变换。而采用24bits Sigma-delta ADC的模拟前端会集成这个Buffer电路,使得输入阻抗提高到100Mohm级别,使得NTC内阻变化对测温准确性的影响降至可以忽略的程度。

此外,为了适应宽泛的环境温度变化,ADC的基准电压也需要较低的温漂系数。这个低温漂基准一般不会集成在上述通用MCU中,需要额外配置;与此相反,24bits Sigma-delta ADC的模拟前端会集成满足要求的低温漂基准(50ppm/℃以内,最好在30ppm/℃左右)。

poYBAGDej2iAK_1aAABbATMt8TE629.jpg

图1:采用带12bits ADC的MCU的额温枪方案的电路框图

pYYBAGDej22AZ5O5AABKEZVzoV8463.jpg

图2:采用带24bits SDADC AFE的额温枪方案电路框图

因此,采用带12bits ADC的通用MCU如果想实现额温枪方案,如图1所示,需外围增加2个运放和1个低温漂基准,使得信号测量部分PCB布局布线较为复杂,设计复杂度高。如前所述,运放的失调电压及其漂移、噪声、共模抑制比、输入阻抗电流等参数,以及放大后的信号带宽都需要仔细考虑,每项指标都需要符合系统要求,且指标要求高,否则会显著影响最终测量的精准性。而图2所示采用带24bits Sigma-delta ADC AFE的额温枪方案中信号测量的外围电路相对简单,内置运放基本都已经考虑了小信号测量的需求,无需再做分析和选型,设计难度低。

3.总结

综上所述,采用带12bits ADC的通用MCU来实现红外测温额温枪方案,在测量精准度、动态范围、对传感器探头的适应性、抗干扰、外围器件及设计复杂度等方面都存在不足;而采用带24bits Sigma-delta ADC的模拟前端方案,则可以避免上述问题。两者的详细对比见表2。随着国内半导体技术和产业的发展,目前带24bits Sigma-delta ADC的模拟前端完成实现了国产化,且性能不输国际同行,可以放心选择。

pYYBAGDej3KAQCYfAAN0hN95_kA907.jpg

审核编辑:汤梓红
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • mcu
    mcu
    +关注

    关注

    146

    文章

    17135

    浏览量

    351017
  • adc
    adc
    +关注

    关注

    98

    文章

    6496

    浏览量

    544482
  • 运放
    +关注

    关注

    47

    文章

    1163

    浏览量

    53062
  • 额温枪
    +关注

    关注

    1

    文章

    84

    浏览量

    17304
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    12bits ADCMCU方案设计

    因为疫情影响,采用红外测温技术的额外是紧俏物资,也是受广大电子工程师们关注的一个热门话题。围绕方案,在疫情前基本只存在一种主流
    的头像 发表于 11-21 10:54 2717次阅读
    <b class='flag-5'>12</b>bits <b class='flag-5'>ADC</b>的<b class='flag-5'>MCU</b>的<b class='flag-5'>额</b><b class='flag-5'>温</b><b class='flag-5'>枪</b><b class='flag-5'>方案</b>设计

    /耳方案

    ).12bit,800K 高分辨率ADC4).极强的抗干扰功能 ->ESD: HBM 8KV->ESD: MM 450V--------方 块 图--------`
    发表于 02-20 11:09

    设计,基于32位MCU的电路设计

    基于Cortex-M0内核MCU设计的***给大家升级参考。本参考设计采用检测的外部24位ADC
    发表于 03-08 21:31

    四个视角,讲透应用设计中的问题

    成了市场上炙手可热的产品,很多厂家开始步入这个市场。也有很多种方案,比如 SOC 方案
    发表于 03-16 09:24

    【干货】华大单片机方案

    1、 本方案是选用HC32L136K8TA-LQ64作为MCU,内部带段码屏(LCD)驱动,可以直接驱动段码屏,省去外部LCD管理芯片
    发表于 03-23 15:51

    方案---零 DS8551典型运用电路

    了对MCUADC的精度要求。DS8551系我司研发产品,已成熟运用于方案,可提供样片。有
    发表于 04-13 11:03

    ZTP-148SR为核心测量传感器的解决方案

    。  将温度数据转换成数字信号后,通过IIC通信协议传输至MCU,因为本方案为手持设备,所以MCU
    发表于 07-09 09:28

    方案有哪些优势?

    方案有哪些优势?具有哪些技术参数?
    发表于 06-10 14:38

    求一种MCU与眼部按摩仪的方案应用

    求一种MCU与眼部按摩仪的方案应用
    发表于 01-25 06:11

    放在应用设计中 应该注意以下事项

    成了市场上炙手可热的产品,很多厂家开始步入这个市场。也有很多种方案,比如 SOC 方案
    的头像 发表于 03-14 11:03 5124次阅读
    <b class='flag-5'>运</b>放在<b class='flag-5'>额</b><b class='flag-5'>温</b><b class='flag-5'>枪</b>应用设计中 应该注意以下事项

    设计方案的电路原理图免费下载

    本文档的主要内容详细介绍的是MCU+温度传感器的方案电路原理图免费下载。
    发表于 05-20 08:00 39次下载
    设计<b class='flag-5'>额</b><b class='flag-5'>温</b><b class='flag-5'>枪</b><b class='flag-5'>方案</b>的电路原理图免费下载

    MCU内置的12ADC 是否可以直接用于方案吗?

    MCU内置的12ADC是否可以直接用于方案
    发表于 02-09 10:49 3次下载
    <b class='flag-5'>MCU</b>内置的<b class='flag-5'>12</b>位<b class='flag-5'>ADC</b> 是否可以直接用于<b class='flag-5'>额</b><b class='flag-5'>温</b><b class='flag-5'>枪</b><b class='flag-5'>方案</b>吗?

    基于爱普特APT32S003F6P6微控制器的设计方案

    中扮演关键作用的是红外热电堆传感器及主控芯片。传感器模块进行温度采集,并转化为电信号,MCU中的ADC
    的头像 发表于 06-22 10:02 706次阅读
    基于爱普特APT32S003F6P6微控制器的<b class='flag-5'>额</b><b class='flag-5'>温</b><b class='flag-5'>枪</b>设计<b class='flag-5'>方案</b>

    MCU内置的12ADC是否可以直接用于方案吗?

    MCU内置的12ADC是否可以直接用于方案
    的头像 发表于 08-17 16:43 802次阅读
    <b class='flag-5'>MCU</b>内置的<b class='flag-5'>12</b>位<b class='flag-5'>ADC</b>是否可以直接用于<b class='flag-5'>额</b><b class='flag-5'>温</b><b class='flag-5'>枪</b><b class='flag-5'>方案</b>吗?

    芯圣方案资料

    红外模拟探头额方案介绍 该方案使用 MCU 主控芯片 HC89F0541 与红外模拟探头进行人体温度测量,采用高精度
    发表于 08-02 09:50 5次下载