高精度Sigma-Delta ADC在额温枪的应用

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的模拟前端进行测量。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\电流等参数，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

那么采用高精度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，假设 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，现在的高精度Sigma-Delta ADC一般都集成了可编程放大器，增益调节通过软件即可实现，使用更加灵活。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。

2. 其他

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MCU自带的SAR 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。而高精度 Sigma-delta ADC 的一般会集成这个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，高精度的Sigma-delta ADC 的也会集成满足要求的低温漂基准（50ppm/℃以内，最好在30ppm/℃左右）。

图1：采用带12bits ADC的MCU的额温枪方案的电路框图

图2：采用带高精度Sigma-delta ADC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所示采用带高精度 Sigma-delta ADC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；而采用带高精度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，目前带高精度Sigma-delta ADC的模拟前端完全实现了国产化，且性能不输国际同行，可以放心选择。