事實(shí)上,在一個(gè)AD采集系統(tǒng)里，最復(fù)雜和最難的是模擬前端---AFE,因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)直接影響到后面的測(cè)量/分辨精度和采用的算法,可以這么說(shuō),模擬前端設(shè)計(jì)好,可以省很多CODE的時(shí)間去做軟件濾波,實(shí)際上一些軟件濾波不是提高精度,而是降低了AD采集的靈敏度,這些在我們做一些低速信號(hào)或者直流信號(hào)時(shí)基本感覺(jué)不到,在市電或者其他交變信號(hào)的采集時(shí),這些尤為明顯.

建議,各位做高精ADC采集的時(shí)候,盡可能將信號(hào)過(guò)運(yùn)放處理,因?yàn)檫@樣可以避免MSP430ADC12/SD16采集的輸入阻抗誤差,因?yàn)锳DC12不是運(yùn)放輸入,SD16的運(yùn)放輸入要求阻抗>2M,很多應(yīng)變橋可能輸出阻抗只有幾10K,阻抗不匹配造成最大的問(wèn)題就是采樣精度受溫度,電壓等影響大,最壞的可能性就是與真實(shí)信號(hào)誤差大

下面將就RTD溫度測(cè)量和電阻應(yīng)變橋測(cè)量做個(gè)簡(jiǎn)單的分析(下述電路如果要提高精度和PSRR(電源抑止比),可采用差分輸入方式)

下圖為使用PT100溫度傳感器的典型恒流--->電壓輸出--->AD采集電路

如上圖所述

溫度檢測(cè)器為PT100,其在0攝氏度時(shí)的電阻為100歐,一些精密的RTD用3線或者4線制,其目的就是為了減少RTD引線上的電阻影響精度,這個(gè)線路電阻就是圖中的RW.
目前一些熱表和溫度檢測(cè)設(shè)備使用PT100或者PT1000來(lái)測(cè)量,最簡(jiǎn)單的辦法就是用這樣的電路來(lái)構(gòu)件一個(gè)模擬前端.當(dāng)然,也有用RC時(shí)間參數(shù)來(lái)做DELTA-SIGMA ADC的,那種辦法的時(shí)間越長(zhǎng)精度越高,但是要求時(shí)鐘基準(zhǔn)比較穩(wěn)定.(一些F41X的熱表應(yīng)用上常用的測(cè)溫就用這個(gè)辦法.)

在上述電路中,比較關(guān)鍵的是基準(zhǔn)電壓和運(yùn)放的選擇,在這里要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn),很多朋友往往認(rèn)為基準(zhǔn)電壓的精度越高越好,當(dāng)然,這個(gè)是無(wú)可厚非的,但是在成本要求相對(duì)較高的情況下,我們需要的是-----基準(zhǔn)電壓的溫度線性要好.因?yàn)樵陔娐防?供電電壓波動(dòng)的情況有,但是一般我們都給出了超過(guò)基準(zhǔn)電壓足夠范圍的電壓,以保證基準(zhǔn)能穩(wěn)定輸出.但是一個(gè)很常見的問(wèn)題就是溫度漂移,有可能來(lái)自設(shè)備本身---因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)間長(zhǎng)了PCB要升溫;也有可能來(lái)自外部---因?yàn)橛行┑胤较募竞投镜臏囟绕钣袝r(shí)可以到90攝氏度以上(-30C--60C),這樣的條件勢(shì)必對(duì)基準(zhǔn)要求更高了

下面我們按性價(jià)比依次列了下,TI出品的LM285,TLV431,REF30XX都是不錯(cuò)的選擇,主要是TI的基準(zhǔn)相對(duì)來(lái)說(shuō)功耗小，溫度漂移相對(duì)也小,本人用的最滿意的是TI的LM285-1.2,基本上在-15~75C的大范圍內(nèi),基準(zhǔn)輸出電壓變化小于1MV,REF30XX的電壓精度是0.2%,溫度漂移50PPM,適合12位以上精度采集的要求,它的價(jià)格相對(duì)較高了.目前TI還推出了REF31XX,32XX,32系列的已經(jīng)可以作到4PPM.這個(gè)基本上可以和ADI公司的高精度基準(zhǔn)媲美了

說(shuō)完基準(zhǔn),我們要談?wù)勥\(yùn)放,運(yùn)算放大器在模擬前端里相對(duì)來(lái)說(shuō)是最重要的器件了.要根據(jù)電路特點(diǎn),選擇是否帶零漂校準(zhǔn)的,是否低嘈聲的,是否滿足帶寬,是否R2R--軌對(duì)軌等等.

在溫度檢測(cè)的這個(gè)電路里,目前我們可以看到的是用了一個(gè)MICROCHIP公司的MCP運(yùn)放,功耗相對(duì)比較低,實(shí)際上在這個(gè)系統(tǒng)里,我們還可以考慮用TLV系列的產(chǎn)品,比如TLV2254,同樣也是一個(gè)4運(yùn)放,嘈聲更小.在類似的電路里,我們對(duì)帶寬的要求相對(duì)較少,基本都是DC信號(hào),但是另一個(gè)概念--R2R,軌對(duì)軌,就是說(shuō),要求運(yùn)放輸出的電壓能到其供電電壓,具有這個(gè)功能的運(yùn)放就適合做滿幅測(cè)量,不象老運(yùn)放要正負(fù)電壓,還不能輸出等于VCC的電壓.

關(guān)于運(yùn)放的重要性和選擇,我們?cè)谙乱粋€(gè)跟貼上繼續(xù),下面主要介紹下電阻應(yīng)變橋的ADC模擬前端,這部分相對(duì)要求的都是12BIT/16BIT/24BIT的精度，因此對(duì)運(yùn)放的要求更高了,還要考慮零點(diǎn)漂移

一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)的電阻應(yīng)變橋

上述是一個(gè)恒壓驅(qū)動(dòng)下的電阻應(yīng)變橋,實(shí)際上這是一個(gè)硅壓電阻應(yīng)變橋,是目前小體積壓力測(cè)量上精度不錯(cuò)的一種傳感器;下圖是其同一系列中恒流驅(qū)動(dòng)器件的典型電路.

在這兩個(gè)電路中,最主要的就是要求所有的運(yùn)放都是低嘈聲的.因?yàn)榇祟悜?yīng)變橋傳感器輸出都是在MV級(jí)的信號(hào),測(cè)量分辨率有時(shí)要達(dá)到UV級(jí)別.因此,抑制運(yùn)放的嘈聲以及電源的嘈聲都非常重要.此外,注意一下,在圖中的A3.實(shí)際上這個(gè)電路就是用做零點(diǎn)漂移的調(diào)節(jié).這里提下,什么是零點(diǎn)漂移,實(shí)際就和我們使用指針萬(wàn)用表一樣,有時(shí)電池的電壓變了,測(cè)量歐姆檔的時(shí)候要調(diào)零,因?yàn)橛行┩獠恳驍?shù)導(dǎo)致傳感器輸出有零點(diǎn)漂移,也就是說(shuō)可能受時(shí)間影響或者電氣特性發(fā)生變化后,通過(guò)電路調(diào)節(jié)其輸出.

一個(gè)硅壓傳感器的實(shí)物

　Originally posted by hoohoo at 2005-7-10 20:49:
1、ADC12的基準(zhǔn)使用內(nèi)部基準(zhǔn)作參考，在REF端我按照user‘s guider說(shuō)得加了10uF和104的電容到GND。但是我軟件選擇內(nèi)部2。5V作參考電壓時(shí)，AD_in輸入2。5V電壓，采集回來(lái)的數(shù)字量不是0xfff。而是輸入3。3V時(shí)才是0xfff。所以后來(lái)我索性用了AVCC作參考電壓。
2、我不太明白用戶手冊(cè)上說(shuō)得“Greater than 200 ksps maximum conversion rate” 中200 ksps的意思，這個(gè)速率怎么解釋。
3、在AD的輸入端，用200K電位器對(duì)VCC分壓作輸入，無(wú)論多次采樣還是單次采樣，回來(lái)的數(shù)字量都是比較接近的值。但是如果這個(gè)電阻一大，比如上了20M（當(dāng)然沒(méi)有20M的電位器，用電阻模擬），采集回來(lái)的數(shù)字量的差別就很大，而且連續(xù)多次采集，次次都不一樣。
4、軟件設(shè)計(jì)上我試圖在采集以后關(guān)掉AD內(nèi)核，以節(jié)省電能，但是debug發(fā)現(xiàn)AD的核還是開著的，即ADC12ON＝1。不知斑竹在這塊是怎么操作的。

\\1,有可能是沒(méi)有在EREF上加電容了,這個(gè)要分別在內(nèi)外部基準(zhǔn)的I/O口上加電容濾波網(wǎng)絡(luò),至于采樣的值可能是你把內(nèi)部基準(zhǔn)切換后沒(méi)斷開外部基準(zhǔn)的硬連接.或者你把參考電壓設(shè)置成VCC了

\\2,200K的速率就是SAMPLE的次數(shù),每秒采樣的次數(shù)

\\3,因?yàn)锳DC輸入的電流不同了,實(shí)際上ADC12不是差分輸入,因此最好在前級(jí)+個(gè)運(yùn)放,或者你可以根據(jù)ADC12內(nèi)部電容和外部輸入阻抗進(jìn)行計(jì)算,得到一個(gè)更準(zhǔn)確的采樣值

\\4,純粹的軟件設(shè)置問(wèn)題了,參考下TI的例子

這里貼一個(gè)ADC12的常見結(jié)構(gòu)和輸入阻抗圖解

　　　
介紹一種pt100測(cè)量方法 BBS 網(wǎng)友 DMZ_73 討論

如圖：Rw為pt100,R0為100歐姆的精密線繞電阻，兩了電阻串聯(lián)由恒流源供電，有如下等式：Vw/Rw=V0/R0,即Rw=(Vw/V0)*R0,從這個(gè)等式可以看出，即pt100的阻值為倆個(gè)電壓值之比，再乘以100，參與pt100阻值計(jì)算的里面不含恒流源，所以這個(gè)方法可以克服恒流源的波動(dòng)、溫飄，隨時(shí)間的飄移，此電路應(yīng)用于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2型氣象站多年，使用下來(lái)非常穩(wěn)定，最后提一句，要聽fft的話， sd12/16輸入前的運(yùn)放不可省去

電流多少還真是沒(méi)有量過(guò)，就參照pt100手冊(cè)吧，精度的話沒(méi)有線性修正，然后任意pt100互換，0。3度以內(nèi)吧（-10-----50），其實(shí)精度基本上取決于那個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻

pt100電流<5mA BBS 網(wǎng)友 rsluo 討論

一般通過(guò)Pt100的電流不能超過(guò)5mA
我也用過(guò)類似的方法，不過(guò)我是把pt100和標(biāo)準(zhǔn)電阻和二極管三者串在一起接在電源上，進(jìn)行測(cè)量的。

講講簡(jiǎn)單的電源隔離和信號(hào)地/電源地的處理

一般在我們的AD系統(tǒng)里面,都有非常明確的模擬電源/模擬地;數(shù)字電源數(shù)字地,這些的處理相對(duì)比較重要.通常的系統(tǒng)中==

1、我們常用10~20歐姆電阻來(lái)做個(gè)模擬電源和數(shù)字電源的隔離,可以從下圖中看出,當(dāng)然,使用分組的隔離電源是最好的選擇,但是成本相對(duì)較高

2、處理模擬地?cái)?shù)字地時(shí),最終使用1點(diǎn)接連的辦法,這個(gè)連接點(diǎn)要選在PCB上的電荷平衡點(diǎn),以防止出現(xiàn)電壓差,這個(gè)需要PCB和模擬設(shè)計(jì)良好的基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)

3、使用PSRR高的LDO,盡量避免使用DCDC和紋波超過(guò)300UV的電源溫壓器件,當(dāng)然,我們可以通過(guò)差分輸入來(lái)減少來(lái)自電源的干擾

4、良好的屏蔽罩同樣可以減少外部空間電磁輻射對(duì)AD系統(tǒng)的影響,諸如雷達(dá),手機(jī)輻射,紫外線等

補(bǔ)充幾點(diǎn)

1,首先我們要處理系統(tǒng)的晶體干擾問(wèn)題,晶體在一個(gè)PCB上的布局比較重要,當(dāng)然,選型也很重要,理論上一個(gè)系統(tǒng)中的外部晶體頻率越低系統(tǒng)越穩(wěn)定,越不容易受到干擾,但是在內(nèi)部做倍頻基本上是芯片級(jí)的應(yīng)用層次了,補(bǔ)臺(tái)需要我們操心.

晶體的外殼如果是金屬的,通常要接到數(shù)字地上.晶體盡量遠(yuǎn)離ADC電路,靠近MCU

2,多個(gè)電源地之間,可以考慮用電感來(lái)連接,計(jì)算一個(gè)比較適合的電感和BYPASS電容,可以消除一些附加在電源地上的干擾信號(hào),這些可以用著名的PSPICE軟件來(lái)模擬.

3,PCB時(shí),電源的線寬應(yīng)當(dāng)根據(jù)電流大小布置,通常要為普通信號(hào)線的數(shù)倍,在電池供電的微功耗設(shè)備里,建議最小的電源線寬不小于15MIL(這個(gè)僅僅是我們的意見),當(dāng)然,有條件的可以用軟件來(lái)模擬下電流的實(shí)際大小和需要的線寬,線厚度等,這個(gè)在POWER PCB上可以實(shí)際仿真得到相關(guān)參數(shù)

關(guān)于低功耗的軟硬件設(shè)計(jì)

1,對(duì)于消耗電流大的功能模塊,不管是內(nèi)部的還是外部的,都做關(guān)斷操作(包含軟件不使能).
內(nèi)部模塊包括SVS,ADC, REF,外部的諸如傳感器激勵(lì)電路,光電偶合電路,外部運(yùn)放或AD采集IC,這些在不使用的情況下不供給電源,將是系統(tǒng)的功耗大大降低

2,推薦在系統(tǒng)空閑的時(shí)候可以進(jìn)入LPM3模式

3,對(duì)于不用的I/O處理方法是懸空的IO口都設(shè)為輸入，拉高或拉低都可以。用到的時(shí)候把該作為輸出的管腳改成輸出

4,作為主要的電源供應(yīng)器件,電源管理IC(含LDO)應(yīng)當(dāng)選用可關(guān)斷或者靜態(tài)電流小的型號(hào)

關(guān)于精度校準(zhǔn)

在我們做的一些儀表中,不可避免的要用到精度校準(zhǔn).如,

* 熱量表的溫度系數(shù)標(biāo)定;
* 流量表的正負(fù)誤差值標(biāo)定;
* 各種傳感器的溫度補(bǔ)償系數(shù)標(biāo)定;
* RF系統(tǒng)中調(diào)諧參數(shù)的標(biāo)定

因?yàn)樯鲜龅倪@些參數(shù)都不是固定的，而是根據(jù)PCB以及外部傳感器,設(shè)備連接關(guān)系等來(lái)做進(jìn)一步的精度調(diào)節(jié)的,這樣就有必要在產(chǎn)品成型后做一個(gè)參數(shù)標(biāo)定.

那么這些標(biāo)定值是如何設(shè)置進(jìn)我們的MSP中(因?yàn)镕系列的MSP430芯片內(nèi)部是FLASH的,可重復(fù)編程,這樣就不需要像普通51那樣外擴(kuò)EEPROM了)以及存放的區(qū)域都成為我們此次探討的重點(diǎn).

1,存放這些標(biāo)定系數(shù)的區(qū)域

在MSP430中,我們可以將這些標(biāo)定系數(shù)存放在INFOMATION FLASH中,這個(gè)區(qū)域分128*2總計(jì)256字節(jié)的信息存儲(chǔ)空間,而且也是統(tǒng)一編址的.擦寫可以分兩塊小區(qū)域---128字節(jié)一個(gè)區(qū)域來(lái)操作,而不用整個(gè)扇區(qū)的擦除后再寫入.

另一個(gè)辦法就是針對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用:直接在MSP430程序空間中開一塊512字節(jié)的常規(guī)FLASH扇區(qū)用做數(shù)據(jù)標(biāo)定,這個(gè)標(biāo)定前一定要對(duì)整個(gè)扇區(qū)的512字節(jié)做擦除操作.

還有一類非常特殊的應(yīng)用,就是把標(biāo)定參數(shù)放在RAM中,這些在下一次上電后就不存在了,這些標(biāo)定數(shù)據(jù)是由程序根據(jù)某些外部輸入來(lái)定義的暫時(shí)值.

上述的三種標(biāo)定的存儲(chǔ)方式比較常規(guī)

2,如何進(jìn)行標(biāo)定

A 首先想到的是用FET進(jìn)行每塊產(chǎn)品的代碼重入,呵呵,這個(gè)最簡(jiǎn)單,但是要每次編譯原代碼,安全系數(shù)受誤操作影響大,還有就是不容易控制代碼擴(kuò)散.

B 通過(guò)BSL來(lái)進(jìn)行標(biāo)定,這個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)安全點(diǎn),因?yàn)榻o的目標(biāo)文件已經(jīng)是HEX碼,原代碼得到安全的保護(hù)(不過(guò)解密仍然能通過(guò)HEX生成ASM)不過(guò)比較煩瑣的操作可以分為兩種,一種是直接修改HEX碼里某處數(shù)據(jù),以達(dá)到標(biāo)定目的,當(dāng)然,這個(gè)操作可以通過(guò)PC軟件事先計(jì)算好,定位好.另一種方式就是將測(cè)試程序?qū)懙組CU中,生成一組標(biāo)定數(shù)據(jù)到INFO FLASH中,然后再次燒進(jìn)去成熟的程序,這樣通過(guò)測(cè)試程序和正常程序分離標(biāo)定的方法在計(jì)量?jī)x表中使用比較方便.

C 通過(guò)串口進(jìn)行標(biāo)定.這個(gè)操作需要MCU程序支持,首先把存放標(biāo)定數(shù)據(jù)的空間定義好,然后直接從串口接收標(biāo)定命令/數(shù)據(jù),然后寫入到標(biāo)定區(qū)域,這樣的做法實(shí)際上最靈活最安全,因?yàn)樗械拇a都是不可見的,可以有效防止攻擊和代碼擴(kuò)散.但是,有一個(gè)缺點(diǎn),就是要損耗一個(gè)UART作為標(biāo)定用,也就是說(shuō)，在那些沒(méi)有UART的MSP430中,使用軟件模擬等都增加了這種方式標(biāo)定的執(zhí)行難度.

D 特殊場(chǎng)合特殊的標(biāo)定:如果不僅僅要標(biāo)定,而且還有可能修改程序中已經(jīng)過(guò)時(shí)的算法,而且這些設(shè)備有可能無(wú)法取回或者為了節(jié)約差旅成本不人工取回.這樣就要考慮遠(yuǎn)程升級(jí)-----通過(guò)GPRS/CDMA/ISM RF等等.

呵呵,上述是我們ZOLAB關(guān)于參數(shù)標(biāo)定的一些制造經(jīng)驗(yàn),可能還有一些更好的辦法,但是由于行業(yè)限制,我們也無(wú)法去一一驗(yàn)證,歡迎各位多提建議.

可靠性分析 有利于 減少產(chǎn)品返修率 以及 提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性

常規(guī)的可靠性分析分為

1, 上電老化

簡(jiǎn)單的說(shuō),就是讓你的產(chǎn)品連續(xù)上電48小時(shí),呵呵,這個(gè)連續(xù)工作的要求對(duì)絕大多數(shù)的電子產(chǎn)品都是不高的要求了,這個(gè)最簡(jiǎn)單的老化辦法將有效檢驗(yàn)出大約0.1%~0.3%的不合格率,基本上算PASS了，這些也只有在批量生產(chǎn)的時(shí)候才會(huì)遇到,當(dāng)然,實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品是調(diào)試出來(lái)的，應(yīng)該另當(dāng)別論,要求更高點(diǎn).

2, 上電高低溫老化

當(dāng)你的產(chǎn)品需要在南方城市或者北方城市運(yùn)行時(shí),或者在一個(gè)溫差很大的環(huán)境下,都應(yīng)該充分考慮到溫差對(duì)產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響.

很多精密的AD采集系統(tǒng)需要高穩(wěn)定性的AFE(包括運(yùn)算放大器,AD器件,基準(zhǔn))這些要求16BIT以上的ADC采集需要使用20PPM以下的器件,才能確保足夠的精度.

此外,受溫度影響比較嚴(yán)重的就是MCU的晶體,通常在-40C以下,晶體正常起振的幾率大大降低，除非使用寬溫晶振或者有源晶振,而且在需要高精度的晶體,比如做為激光測(cè)距這樣的應(yīng)用場(chǎng)合,一定需要一個(gè)內(nèi)部帶恒溫槽,高穩(wěn)定性的有源晶振才能正常工作.這樣的例子就可以在飛機(jī)激光測(cè)距吊倉(cāng)上得到驗(yàn)證(高空溫度有時(shí)在 -65C以下);另一方面,在機(jī)動(dòng)車或者密閉的倉(cāng)內(nèi),溫度有時(shí)高達(dá)+65C,諸如此類特殊的場(chǎng)合,都應(yīng)該充分考慮系統(tǒng)中晶振的穩(wěn)定性

因此,有條件的公司,廠家可能會(huì)購(gòu)買高低溫老化設(shè)備來(lái)做產(chǎn)品的這些實(shí)驗(yàn)

3, 上電高濕度老化

這個(gè)需要測(cè)試在濕度70%~95%環(huán)境中,上電是否能正常工作,一般多霧的熱帶雨林,海上航行中,濕度是電子產(chǎn)品最大的殺手.一個(gè)走線密集但又沒(méi)做防潮防腐處理的PCB,很有可能失靈或者短路燒毀.同樣的事件也容易發(fā)生在化工,農(nóng)業(yè)人工環(huán)境下,因此,這類場(chǎng)合使用的電子產(chǎn)品要充分考慮隔絕空氣,防潮(濕度>70%即為潮濕氣候)

4, 上電電磁輻射檢驗(yàn) EMC,EMI

比如像用MSP430做的HOT---心電感應(yīng)記錄儀,在工作的同時(shí)也要考慮最環(huán)境和周圍的人和設(shè)備造成盡可能小的影響,此外還有電能表,手持PDA等等,這些就需要到計(jì)量部門做專業(yè)的檢測(cè),不僅是產(chǎn)品對(duì)外界的干擾.而且還要檢測(cè)外界電磁輻射對(duì)產(chǎn)品的干擾.呵呵,就是費(fèi)用比較高

PCB設(shè)計(jì)的差別可能造成同一種ADC 集成電路,一個(gè)受到類似手機(jī)900MHZ頻率電磁輻射時(shí),采集到的信號(hào)幅度變化極大.此外,來(lái)自電源不純凈的輻射和高次協(xié)波也將導(dǎo)致系統(tǒng)異?；蛘邚?fù)位

5, 上電靜電打擊實(shí)驗(yàn) ESD

4000V的人體模型和15000V的高壓瞬間打擊,這類電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難度更高

6, 如果是做軍品或者便攜工業(yè)設(shè)備,300KM國(guó)家3級(jí)公路汽車運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)

這么顛簸后,產(chǎn)品上沒(méi)松動(dòng),脫焊,器件參數(shù)不變化,功能正常,呵呵,就算過(guò)關(guān)了

7, 如果是做汽車或者高速交通設(shè)備的,還要做做抗重力/加速度實(shí)驗(yàn)

汽車胎壓檢測(cè)中的IC,基本上就要抵抗到數(shù)個(gè)G的加速度,很難說(shuō)一些工業(yè)級(jí)的IC要"暴",因此在做此類設(shè)計(jì)時(shí),器件特性一定要把好關(guān)

上面非常淺顯的介紹了幾種常見的可靠性分析辦法,其實(shí)要是詳細(xì)寫的話,基本上每個(gè)措施都可以寫到5000字以上了,哈哈,這些更詳細(xì)的資料,各位壇友還是找找專業(yè)的書籍和富有經(jīng)驗(yàn)的工程師交流更安全