利用 Delta-Sigma ADC 构建超高精度油气石油多传感器系统

油气石油设施中的多传感器阵列持续采集关键压力和温度数据。为满足这些环境所需的宽动态范围，提供精准、高分辨率读数，传感器链路必须兼具紧凑与极高精度。

传统多传感器电子设备往往体积庞大、成本高昂，且缺乏现场部署所需的坚固性。离散模拟调理电路难以满足现代过程控制所需的严格公差，导致漂移和误差累积（见图 1）。

图 1：压力安全阀保护管道系统免受超压。（来源：Shutterstock）

解决方案在于高分辨率、多通道 Delta-Sigma (ΔΣ) ADC。通过将热电偶、RTD 和压力变送器直接与精密 ΔΣ ADC 集成，设计师可实现石油行业稳健多传感器系统所需的 RMS 噪声性能。

本文概述使用 ΔΣ ADC 创建精确温度-压力接口的关键挑战与解决方案。

压力感测

压力变送器分两类：需电激励型和自发电型。常见机械形式——波纹管、隔膜、波登管和压力计——将压力变化转化为机械运动。

电激励传感器与 ΔΣ ADC 和微控制器无缝配合。常见类型包括电容式传感器、LVDT 和压阻式器件。压阻式传感器因紧凑和高灵敏度通常首选（图 2）。

图 2：(a) 压阻式压力传感器为首选。(b) 桥路高侧需电压或电流激励。（来源：Maxim Integrated）

图 2a 中，传感器顶层为粘接在隔膜上的电阻薄膜。桥路高侧（图 2b）需稳定激励——通常几伏。在 3.3 V 系统中，传感器差分输出范围从几毫伏到几百毫伏。后续放大和 ADC 转换将该模拟信号转化为可靠数字值。

温度感测的重要性

精准温度测量至关重要，因传感器性能（尤其是压力变送器）随温度变化。系统采用 K 型热电偶和 RTD 进行冷端补偿（图 3）。

图 3：双线 K 型热电偶需 RTD 进行冷端补偿 (CJC)。（来源：Maxim Integrated）

热电偶耐受高达 +1260 °C，RTD 在热电偶接头提供精准测量，确保温度修正的压力读数。

高分辨率 ADC：为何选择 ΔΣ？

ADC 选择涉及分辨率与速度的权衡。流水线 ADC 提供高数据率（数十 Gsps）但仅达 12 位。逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 提供 10 Ksps–10 Msps、12–18 位，适合许多工业应用。但当需要纳伏级分辨率——如压力和温度感测——只有 ΔΣ ADC 能提供必要性能（图 4）。

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

ΔΣ ADC 首先通过 ΔΣ 调制器将输入整形为单比特、噪声整形脉冲串。过采样和数字滤波产生高达 24 位的多比特输出，供微控制器使用。

ΔΣ 调制器详解

ΔΣ 调制器是降噪核心。图 5 展示二阶结构：前端 Δ 函数后接两个积分器（Σ 函数）。积分器后，单比特 ADC 采样信号，单比特 DAC 反馈至积分器。

图 5：二阶 ΔΣ 调制器包含前端 Δ 函数和两个积分器。（来源：Maxim Integrated）

单比特 ADC 引入的量化噪声被移至高频——即噪声整形。图 6 展示结果噪声频谱。

图 6：调制器输出噪声被整形至高频。（来源：Maxim Integrated）

调制器阶数决定噪声分布。图 7 对比一、二、三阶调制器，显示高阶在直流附近噪声衰减更强。

图 7：一、二、三阶调制器的噪声整形能力。（来源：Maxim Integrated）

数字抽取滤波

ΔΣ 调制器后，数字/抽取滤波器移除高频噪声，产生 ADC 最终数据率 F_D。滤波器截止频率决定输出采样率。

完整 ΔΣ ADC 架构

图 8 展示完整 ΔΣ ADC 方框图，含调制器、sinc 滤波器、FIR 滤波器、输入多路复用器、PGA、时钟发生器和基准矩阵——均针对压力和温度感测定制。

图 8：带压力和温度传感器输入的完整 ΔΣ ADC 架构。（来源：Maxim Integrated）

Sinc 滤波器提供简单低通形状，一阶在一个字周期内稳定，四阶 (Sinc⁴) 在四个周期内稳定。图 9 显示三阶 sinc 滤波器频率响应。

图 9：三阶 sinc 滤波器 (Sinc³) 频率响应。（来源：Maxim Integrated）

Sinc 滤波器圆润响应简化实现，但为更尖锐抑制——特别是工频干扰——FIR 滤波器更优。图 8 中的 ΔΣ ADC 采用 50/60 Hz 陷波滤波器，在该频率实现 >90 dB 抑制，同时以 16 样本/秒运行。

MAX11410 ΔΣ ADC 关键性能指标：24 位分辨率、Sinc⁴ 滤波、160 µA PT100 RTD 激励、PGA 增益 128、输入范围 1.234 V 至 2.837 V、LSB 尺寸 0.039 µV_RMS、温度精度 ±100 °C、RTD 精度 ~4.7 µ°C/位。

总之，将 ΔΣ ADC 与压力、热电偶和 RTD 传感器集成，可得单器件方案，实现低噪声、精准温度-压力转换——对油气石油仪表至关重要。设计重点应保持在噪声性能、输入多路复用和 BOM 成本上。

>> 本文最初发表于姊妹站点 EDN。