在高精度多传感器系统中使用 delta-sigma ADC

用于石油、天然气和石油测量的多传感器配置持续获取敏感的压力和热数据。然而，捕捉物理温度和压力实体的各种组合需要一个非常简洁、高分辨率的系统。

这对设计人员来说具有挑战性，因为所需的高分辨率传感器电路分布在很宽的温度和压力范围内。在大多数情况下，多传感器电子设备对于工厂应用来说太大了，而离散模拟信号调理不够精确或不够坚固（图 1）。

图 1：压力安全阀可保护管道系统免受过压影响。 （来源：Shutterstock）

多传感器电子器件的解决方案在于高分辨率 ADC。热电偶、电阻温度检测器 (RTD)、压力传感器和模数转换器 (ADC) 的组合可通过精确、高速、多通道 ΔΣ (ΔΣ) ADC 实现，其中关键规格是 RMS 噪声。这为石油、天然气和石油电子产品创建了一个高精度、强大的多传感器系统。

本文简要讨论了与使用 ΔΣ ADC 实现精确温度和压力传感器接口相关的问题。

压力感应

压力测量设备是那些需要电激励的设备，以及压力是唯一动力源的设备。机械式设备包括波纹管、隔膜、波登管、管和压力计。使用这些设备，压力的变化会引发机械反应，例如机械臂位置的变化或管子的液位变化。

电激励压力传感器与 ΔΣ ADC 和微控制器协同工作。这些传感器可以是电容式传感器、线性可变差动变压器 (LVDT) 或压阻式传感器。通常，压阻式传感器是首选器件（图 2）。

图 2：压阻式压力传感器 (a) 通常是首选设备。压阻桥模型 (b) 的高端需要电压或电流激励。 （来源：Maxim Integrated）

在图 2a 中，制造的传感器的顶部是电阻材料，底部是隔膜。压阻桥模型的高端（图 2b）需要电压或电流激励。激励的大小会影响传感器输出的动态范围，即 VOUT + 和 VOUT – 之间的最大差值，在 3.3 V 系统中，其范围通常在几十毫伏到几百毫伏之间。使用放大器和 ADC 跟随桥式传感器的电子设备将差分输出信号转换为数字表示。

温度传感的重要性

在温度范围、线性度、精度、坚固性和易用性方面，有多种类型的温度传感器适用于任何应用。此应用中的温度传感器监控压力传感器的温度，以确保出现可靠的压力读数。为了执行这种温度测量，该应用使用了 K 型热电偶和 RTD（图 3）。

图 3：双引线 TYPE-K 热电偶需要使用 RTD 进行第二次温度测量，以进行冷端补偿 (CJC)。 （来源：Maxim Integrated）

在图 3 中，坚固耐用的热电偶温度传感器可以感应高达 +1260°C 的高温，而 RTD 测量热电偶/铜结点处的温度。

高分辨率 ADC

对于 ADC，分辨率和速度之间存在非常强的权衡。在最快的转换器中，流水线 ADC 可以以每秒数十千兆样本 (Gsps) 的速度产生数据速率，同时产生高达 12 位的可观分辨率。

中间的 ADC 是逐次逼近寄存器 (SAR) 转换器。该转换器以比流水线转换器更慢的输出产生样本，运行速度约为 10 Ksps 至 10 Msps，分辨率增加高达 18 位。如果可接受的输入电压最低有效位 (LSB) 大小以微伏 (μV) 为单位，则 SAR 转换器是一个很好的行业主力。然而，如果应用需要在纳伏 (nV) 范围内转换 LSB 大小，唯一可行的替代方案是 ΔΣ ADC（图 4）。

图 4：基本的 ΔΣ ADC 将输入电压转换为 ΔΣ 调制器。 （来源：Maxim Integrated）

图 4 中的 ΔΣ ADC 将输入电压转换为 ΔΣ 调制器。调制器创建一个代表模拟输入电压的一位、噪声整形的脉冲序列。转换器然后累积一位脉冲串，并通过过采样，对信号执行各种数字滤波。随着时间的推移，滤波器会拒绝高频噪声并产生高达 24 位的多位结果。转换器将这些结果发送到外部微控制器的输出端。

ΔΣ 调制器

ΔΣ 调制器启动 ADC 的降噪过程。仔细检查这个调制器很快就会发现 ΔΣ 标签的来源（图 5）。

图 5：二阶 ΔΣ 调制器包含一个反馈系统，该系统包含一个前端 Δ 函数，后跟两个积分器（Σ 函数）。 （来源：Maxim Integrated）

在图 5 中，经过两个积分器后，信号通过采样率等于采样频率 (FS) 的 1 位 ADC 进行转换，然后通过采样率相同的 1 位 DAC 反馈到两个积分器的输入端.在该系统中，1 位 ADC 注入了量化噪声 (ei)。根据图 5 底部的公式，噪声与先前转换的噪声一起出现在输出端。

调制器对调制器输出端的信号累积产生噪声整形效果。这种噪声整形效果将 1 位转换量化噪声整形为更高的频率（图 6）。

图 6：调制器输出端的噪声会产生噪声整形响应。 （来源：Maxim Integrated）

在图 6 中，系统的奈奎斯特频率是调制器的采样频率 FS。调制器的阶数决定了量化噪声随频率变化的水平（图 7）。

图 7：该图显示了一阶、二阶和三阶调制器的噪声整形能力。 （来源：Maxim Integrated）

在图 7 中，低阶调制器的量化噪声在 DC 附近较高，在高频下较低。 ΔΣ ADC 收集或过采样调制器的 1 位输出流并执行低通数字滤波。

数字/抽取滤波器

对于 ΔΣ ADC 内核，可采取两种措施来降低系统噪声。调制器成功地将其量化噪声整形为更高频率，数字/抽取滤波器衰减高频噪声。

ADC 的输出数据速率（由以下数字低通滤波器截止频率决定）为 FD。数字/抽取滤波器的频率响应（图 4 中的虚线）成功地衰减了较高频率的噪声。

完成 ΔΣ ADC图片

一个完整的核心 ΔΣ ADC 需要一个 ΔΣ 调制器和 Sinc 以及有限脉冲响应 (FIR) 数字滤波器（图 8）。

图 8：此图显示了具有压力传感器和温度传感器输入的完整工作 ΔΣ ADC。 （来源：Maxim Integrated）

在核心 ΔΣ ADC 框图（图 4）中，有一个数字/抽取滤波器。图 8 中的实际 ΔΣ ADC 具有常见的 Sinc 和 FIR 数字滤波器，它们完善了转换器的低噪声图像。

Sinc 数字滤波器执行低通滤波器功能。一阶滤波器设计建立在一个数据字周期内。四阶 Sinc 滤波器或 Sinc ⁴ 在四个数据字周期内稳定。频域滤波器形状随频率下降（图 9）。

图 9：这些图显示了三阶 Sinc 滤波器 (Sinc ³ ）。 （来源：Maxim Integrated）

在图 9 中，可以对最低衰减进行编程以匹配方便的频率，例如 50 Hz 或 60 Hz 的倍数。图 8 中的设备实现了 Sinc ⁴ 数字滤波器。

Sinc 数字滤波器的圆角特性使其成为最容易实现的数字滤波器之一，因此它们在混合信号应用中非常有用。然而，在某些应用中，尖角是更可取的。 FIR 滤波器提供了更锐利的拐角，并增加了稳定性。图 8 中的 ΔΣ ADC 具有 50 Hz/60 Hz 滤波器，可在 50 Hz 和 60 Hz 下以每秒 16 个样本的数据速率提供超过 90-dB 的抑制。

完整的 ΔΣ ADC（图 8）具有额外的辅助功能，例如输入多路复用器、可编程增益放大器 (PGA)、复杂数字滤波器、时钟发生器和参考矩阵。使用 PT100 RDT、160 μA 电流源和 128 的 PGA 增益，MAX11410 ΔΣ ADC 具有 1.234 V 至 2.837 V 的输入范围。使用 Sinc ⁴ 中的这个 24 位转换器 配置，电压 LSB 大小为 0.039 μVRMS。温度精度在 ±100°C 范围内，RTD 精度为 ~4.7 μC/bit。

本文介绍了与用于石油、天然气和石油电子产品的 ΔΣ ADC 实现精确温度和压力传感器接口相关的问题。应用电路使用压力、热电偶和 RTC 传感器来实现单设备转换，其中关键规格是噪声、输入多路复用器和物料清单 (BOM) 成本。

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站 EDN。