国产称重ADC测量PT100心得分享

ehengio · 发表于 2022-12-31 21:32:43

本帖最后由 ehengio 于 2022-12-31 21:57 编辑

一、为什么有这个想法
之前一直用ADI的芯片来测量PT100，测量效果是不错的。但是最近进口ADC芯片越来越难买，价格也越来越高。而国产的称重专用的ADC芯片价格便宜又好买。有没有可能用国产称重ADC来测量PT100呢？
之前逛论坛，就发现有网友提出类似的需求。我第一眼的想法就是没问题，24位ADC测一个PT100还不容易。深入了解了一下，却发现有很多问题。当然既然写这篇文章，这些问题都被解决了，下面就来说一下解决问题的过程。
需要说明的是，我分享的是我找到的一个可以实现的方法，不代表没有别的方法，也不代表这个方法就是最好的。同时本文只是一个经验分享，不提供技术支持。

二、设计目标
我的习惯是任何应用技术的开发都要能够落实到一个具体的产品上。既然是用低成本的国产称重ADC，那么就想要开发一个低成本、高精度的PT100测量电路。原因如下：
首先，国产称重ADC一般只要一两元，那么周围的器件也要和这个成本配套。不能说，用了便宜的ADC却用几块钱的高精度运放或者精密电阻，这样就发挥不出ADC低成本的优势了。
其次，目前市面上有很多低精度的PT100测量方案，用MCU内部的ADC进行测量，成本非常低。如果我们用了独立的ADC，精度却做不高。那么这个产品或者这个技术也没有开发的意义了。

ehengio · 发表于 2022-12-31 21:32:58

本帖最后由 ehengio 于 2022-12-31 21:34 编辑

三、测量方案
PT100分为两线制、三线制和四线制。两线制没法对导线电阻进行补偿，不符合高精度的要求。四线制PT100不常用且成本高，不符合低成本的要求。所以最终选用三线制的测量方式。虽然三线制比起四线制测量，难度还要更高一点。
测试电流的选择，也决定了系统的精度。PT100要求测试电流不能大于1mA，否则就会因为自身发热而影响测量精度。实际应用时，我们往往会用到比PT100精度更高的分辨率，如0.01℃。那么就要求测试电流更要小一点。但是测试电流太小的话，信号就会太小，测量不容易，同时也容易收到外界的影响和干扰。所以我觉得0.1mA~1mA是比较合适的，最终我选定的是0.5mA左右测试电流。

四、常用电阻测量方法简介
常用的测试电阻方式主要有以下三种：
1、给待测电阻一个恒定的电流，然后测两端的电压。
2、将待测电阻和基准电阻串联后，供给一个恒定的电压，测两者之间的电压比。
3、将待测电阻和基准电阻串联后，供给一个恒定的电流，测两者之间的电压比。
后两种统称为比例测量。比例测量时，一般是把基准电阻上的电压作为ADC的基准电压，然后去测量待测电阻上的电压，这样测量到的AD码就是和待测电阻成正比的，很容易计算。同时只要保证基准电阻的精度，就可实现高精度测量。
这两种方案，没什么本质的区别，如果系统中有免费的电流源，比如某些ADC芯片会提供电流源，那么就可以使用第三种方案。毕竟恒流的话，对于控制待测电阻的发热，和补偿ADC的输入电流还是有一定好处的。在本次设计中，因为用的ADC芯片自带的LDO可以实现恒流源，一开始采用了方案三的测量方式。可惜实际做下来，这种方案稳定性不行，最后还是采取了方案二恒压比例测量。

ehengio · 发表于 2022-12-31 21:33:14

本帖最后由 ehengio 于 2022-12-31 21:40 编辑

五、芯片选型
如前所述，本次设计我们要实现一个低成本高精度的三线制PT100的测量电路，同时这颗ADC又要容易购买。于是我就到各个芯片网站上，去找了一些有货且价格合适的芯片，把相关的指标列在下表。

型号	通道数	放大倍数	基准	价格	其他
HX717	2	8，64，128	与电压输出共用	2.28	含LDO
HX711	2	32，64，128	与电压输出共用	2.14
HX712	1	128	独立基准	1.4
HX710	1	128	独立单端基准	1.15
CS1237	1	1，2，64，128	独立基准	1.43
CS1238	2	1，2，64，128	独立基准	3.43
TM7711	1	128	独立单端基准	1.66

最终我选择了HX717，主要是放大倍数合适。如果测试电流选用0.5mA，那么信号范围就是200mV。显然只有8倍放大倍数才是合适的。其次他的双通道也适合三线制测量，而且还送了一个LDO。最最关键的是，我开始设计时HX717只要一块多，可惜现在涨价了，希望以后会降回来吧。
但是HX717有一个缺点，就是没有独立的基准输入，他的基准输入是和他的LDO输出公用的，也就是没有办法再使用传统的比例测量方式。

六、全新的比例测量方式
HX717啥都好，就是没有一个独立基准。而且他这个基准，输入电流还很大，据实测要达到1uA这样的数量级，测试电流只有500uA。1uA的输入电流，会影响的测量的准确度。国产称重ADC很多都不给出基准输入电流的指标，实测基本上都是1uA这个数量级上，所以即使有独立的基准，其实也不能简单的采用传统的比例测量方式。
于是我想了另外一种比例测量方式，就是将待测电阻和基准电阻串联后，供给一个恒定的电压，然后用这个恒定的电压作为ADC的基准电压，去测待测电阻两端的电压。这种方式，就特别适合HX717，因为他们两个本来就是连在一起的。同时由于这种方式基准的输入电流可以忽略，也适合HX717这类的ADC。

ehengio · 发表于 2022-12-31 21:33:28

本帖最后由 ehengio 于 2022-12-31 21:49 编辑

七、电路设计

原理图解释：HX717的3号脚为LDO输出和基准输入，通过R3，R4的分压反馈到4号脚，决定了LDO的输出电压为3.3V。这个电压通过基准电阻R2输出给PT100，然后返回来，接到基准电阻R1，最后通过一个MOS管接入到地。
R1和R2为两个3kΩ的基准电阻，相当于一个6k的基准电阻。之所以用两个基准电阻，是因为这样就可以使PT100信号的共模电压处于3.3V的中间点1.65V，ADC线性会好一点。MOS管是用来系统调零用的，当MOS管断开时，流过PT100的电流就为0。此时ADC的输出值，就可以作为系统的零点。这样除了可以补偿ADC零点的漂移外，还能补偿系统回路里部分接触电势的影响。
PT100上的电压和导线电阻上的电压，被分别接到HX717的两个ADC通道进行测量。基准电阻采用了10ppm/℃的电阻，两个的话也只要两毛多钱，其他都是些电容、电感滤波器件。系统整体的成本是非常低的。测量部份也就三块钱左右。

八、测量结果的计算
全新测量方式，解决了电路上存在的问题。但是带来一个更大的问题就是，测量出来的AD码和待测电阻不是成线性的关系，需要进行一个非线性修正。同时怎么对系统进行校准，怎么把校准做到可批量生产，也是一个巨大的难题。
通过matlab拟合求解，我找到了一种可以批量补偿的算法流程。其中需要应用一些特制的工具经行校准，处于保护的目的，这里就不公开方法了。大家需要用这个技术的话，可以直接用我的校准好的成品或半成品。

ehengio · 发表于 2022-12-31 21:33:42

本帖最后由 ehengio 于 2022-12-31 22:07 编辑

九、效果展示
测量特性如下：
       RTD类型：Pt100、Cu100、Cu50可选
       测量方式：三线制、两线制可选
       温度测量范围：-200℃~859℃，分辨率：0.01℃，精度：0.1℃（典型值）
       总电阻测量范围：0Ω~400Ω，分辨率：1mΩ，精度：0.02%（典型值）
       导线电阻测量范围：0~40Ω，  分辨率：1mΩ，精度：0.2%（典型值）
       测量电流：＜0.55mA
       增益温度漂移：15ppm/℃（典型值）
       采样速度：10Hz、20Hz、80Hz可选
效果演示视频如下：
https://v.youku.com/v_show/id_XNTkyMzg4NjYxNg==.html
https://v.youku.com/v_show/id_XNTkyMzg4NjQzNg==.html

十、后记
目前只做了一个产品，就是单路PT100转RS485的温度变送器，各位如果感兴趣的话，可以来我淘宝，给大家一个较低的体验价。
带显示的、多路的和PCB板级的产品，也在考虑开发中。其中PCB板级的产品，采用IIC和UART双接口，售价可以做到非常低，适合大家集成到自己的产品内部。如有对产品的需求和想法欢迎和我联系。

akey3000 · 发表于 2022-12-31 21:34:50

称重ADC确实便宜

lyping1987 · 发表于 2022-12-31 21:57:19

感谢楼主风险！

智涅 · 发表于 2022-12-31 22:12:35

顶一顶，思路很清晰，是个讲究人

ronic · 发表于 2022-12-31 22:13:24

楼主某宝地址多少，可能有需要

ehengio · 发表于 2022-12-31 22:18:42

ronic 发表于 2022-12-31 22:13
楼主某宝地址多少，可能有需要
(引用自9楼)

你好。我签名里有

kingie2006 · 发表于 2022-12-31 22:23:20

楼主逻辑清晰，顶一个

lb0857 · 发表于 2022-12-31 22:41:09

是滴，
工厂生产批量校对，
直接关系到精度和成本二个决定性的原则问题。

momo_li · 发表于 2023-1-1 07:28:27

有没有带有恒流输出的ADC，来激励传感器。进口带恒流源的ADC价格都很高

我是一个大白菜 · 发表于 2023-1-1 08:02:13

楼主分享的很仔细，非常感谢

cetxuch · 发表于 2023-1-1 08:52:52

这个思路有创新，还能够分享。点赞！

powerlabor001 · 发表于 2023-1-1 10:36:06

佩服这样深入钻研的，mark一下。

TINXPST · 发表于 2023-1-1 11:11:23

既会做方案，又能把文档写得简洁明了。楼主有真功夫的。

yuyu87 · 发表于 2023-1-1 13:33:06

谢谢楼主，学习学习

szxszx · 发表于 2023-1-3 08:20:30

感谢经验分享，校准用的0.01%信号源厉害了，什么型号？

xuduoluo2 · 发表于 2023-1-3 14:00:23

佩服楼主，mark一下。

jqfsjt · 发表于 2023-1-3 16:35:10

佩服楼主，mark一下。

qq325600 · 发表于 2023-1-5 16:14:35

但是HX717有一个缺点，就是没有独立的基准输入，他的基准输入是和他的LDO输出公用的，也就是没有办法再使用传统的比例测量方式。

全新测量方式，解决了电路上存在的问题。但是带来一个更大的问题就是，测量出来的AD码和待测电阻不是成线性的关系，需要进行一个非线性修正。

你好楼主大大,我没看明白为什么输出的ADC值和待测电阻不是成线性关系?

ehengio · 发表于 2023-2-4 15:24:30

qq325600 发表于 2023-1-5 16:14
你好楼主大大,我没看明白为什么输出的ADC值和待测电阻不是成线性关系?
(引用自22楼)

因为ADC的基准是PT100和基准电压的之和
Upt100/(Upt100+Uref)=AD/0x7FFFFF
Upt100 = AD*Uref/(0x7FFFFF-AD)
因为流过的电流是一样的，所以
Rpt100=(AD/(0x7FFFFF-AD) )Rref
可以看出分母上也有AD值，所以电阻值和AD值不是线性关系

Joshua_Astray · 发表于 2023-2-6 17:41:56

用TL431甚至AMS1117 LM317做个恒流源不是很简单吗？恒流源的要求是要求纹波小，因为你的精度实际上是取决于基准电阻而不是恒流源

ehengio · 发表于 2023-2-7 09:18:41

Joshua_Astray 发表于 2023-2-6 17:41
用TL431甚至AMS1117 LM317做个恒流源不是很简单吗？恒流源的要求是要求纹波小，因为你的精度实际上是取决于 ...
(引用自24楼)

恒流源是简单，但不是还要额外的成本吗？

Joshua_Astray · 发表于 2023-2-9 17:21:01

ehengio 发表于 2023-2-7 09:18
恒流源是简单，但不是还要额外的成本吗？
(引用自25楼)

你一堆外围，生产成本也是成本，用一个ams1117，一个电阻就可以搭一个恒流源，ADC用HY3116，15个元件不到就可以搭出来了

rube · 发表于 2023-2-9 17:50:03

感谢楼主分享

ehengio · 发表于 2023-2-10 13:22:21

Joshua_Astray 发表于 2023-2-9 17:21
你一堆外围，生产成本也是成本，用一个ams1117，一个电阻就可以搭一个恒流源，ADC用HY3116，15个元件不到 ...
(引用自26楼)

好吧，您说得有道理

zhonghua_li · 发表于 2023-2-10 16:05:27

max31865 好像也不贵吧。不知道精度如何。

ehengio · 发表于 2023-2-11 13:49:36

zhonghua_li 发表于 2023-2-10 16:05
max31865 好像也不贵吧。不知道精度如何。
(引用自29楼)

max31865要十几块了吧

wangzex · 发表于 2023-2-11 14:07:23

便宜是便宜，抗干扰能力如何才是关键。

zzsczz · 发表于 2023-10-18 23:50:23

硬件BOM成本是LOW , 出厂校准是每个设备单独折腾，标定的成本上去了

ibmx311 · 发表于 2023-10-19 08:46:46

我想知道怎么保证0.1度的精度，比如说机加工，有根轴直径40长600，图纸标了公差0-5u圆度5u直线度5u,你有一个地方不行就要赔钱给别人了。而买测温装置都是爱买不买，不准活该

Joshua_Astray · 发表于 2023-10-19 09:05:21

本帖最后由 Joshua_Astray 于 2023-10-19 09:06 编辑

ibmx311 发表于 2023-10-19 08:46
我想知道怎么保证0.1度的精度，比如说机加工，有根轴直径40长600，图纸标了公差0-5u圆度5u直线度5u,你有一 ...
(引用自33楼)

用楼主说的第三种方法，即恒流源经过PT100+标准电阻，用标准电阻来计算PT100的电阻值，这样恒流源只需要保证恒流源的纹波和噪声即可，精度甚至温漂都不需要保证，标准电阻选用千分之一甚至万分之一的，用标准电阻的稳定性来保证整个系统的稳定性，成本更低

ibmx311 · 发表于 2023-10-19 09:13:05

Joshua_Astray 发表于 2023-10-19 09:05
用楼主说的第三种方法，即恒流源经过PT100+标准电阻，用标准电阻来计算PT100的电阻值，这样恒流源只需要 ...
(引用自34楼)

我就想知道如何定标，比如测到结果是120.5度实际是120.2度怎么办

Joshua_Astray · 发表于 2023-10-19 09:19:54

顺便分享一个最简单的恒流源设计方法，一个可调输出的三端稳压器和一个电阻就能做一个恒流源，LM317、AMS1117、XC6206都能用，其他的三端稳压器可以看一下内部的结构，只要和LM317原理一样，都能使用

Joshua_Astray · 发表于 2023-10-19 09:21:14

ibmx311 发表于 2023-10-19 09:13
我就想知道如何定标，比如测到结果是120.5度实际是120.2度怎么办
(引用自35楼)

你说的这种就是传感器也就是PT100本身的误差了，这个你只能用恒温环境去定标，常用的就是可调的水浴箱+标准温度计

redroof · 发表于 2023-10-19 09:54:02

Joshua_Astray 发表于 2023-10-19 09:21
你说的这种就是传感器也就是PT100本身的误差了，这个你只能用恒温环境去定标，常用的就是可调的水浴箱+标 ...
(引用自37楼)

你卖pt100吗？不然为什么要给人标定探头？
人家高精度台表，标称的测温精度都是探头精度加0.0x度，我们也都是这么标。
pt100是标准品，想要多少精度花钱买就行。测温仪只管测电阻，你生产的时候用的校准器也应该是个万分之一的电阻。。。

Joshua_Astray · 发表于 2023-10-19 10:35:16

redroof 发表于 2023-10-19 09:54
你卖pt100吗？不然为什么要给人标定探头？
人家高精度台表，标称的测温精度都是探头精度加0.0x度，我们也 ...
(引用自38楼)

所以靠万分之一的电阻保证精度就可以了，楼上那哥们的问题，只能是去找传感器厂家

主楼一区401 · 发表于 2023-10-19 14:56:27

很好的帖子，贡献给楼主10汤圆，继续加油

redroof · 发表于 2023-10-19 21:21:56

本帖最后由 redroof 于 2023-10-19 21:23 编辑

Joshua_Astray 发表于 2023-10-19 09:19
顺便分享一个最简单的恒流源设计方法，一个可调输出的三端稳压器和一个电阻就能做一个恒流源，LM317、AMS11 ...
(引用自36楼)

这样的精度不够好。
我用可调的1117做过，如果负载电阻变化的话，好像电流会变动万分之个位数左右。
普通人或许认为这个稳定度够了，但是做精密测量的人肯定不能接受这种误差。。。
老老实实用个高精度运放来做恒流源吧。1117里面那个误差放大器的性能肯定远远比不过高精度运放。
合格的恒流源，怎么也得让自己的24位AD测不到自己的变化才行吧。

redroof · 发表于 2023-10-19 21:29:28

本帖最后由 redroof 于 2023-10-19 21:30 编辑

ibmx311 发表于 2023-10-19 09:13
我就想知道如何定标，比如测到结果是120.5度实际是120.2度怎么办
(引用自35楼)

对pt100来说，因为默认是探头和测量电路可以分开的，各管各，你可以单独买探头。所以你得看误差岀现在哪。如果误差岀现在测量电路就改电路，0.3度的电路误差已经算很大了。如果岀现在探头就买更好的探头呗，正确的探头厂家会给你保证误差的，更好的探头厂家还会给你校准表格或曲线。。。

Joshua_Astray · 发表于 2023-10-19 21:57:11

redroof 发表于 2023-10-19 21:21
这样的精度不够好。
我用可调的1117做过，如果负载电阻变化的话，好像电流会变动万分之个位数左右。
普通 ...
(引用自41楼)

问题是，你用恒流源经过PT100+标准电阻，看的是PT100的ADC和标准电阻的ADC的比值，这两个是串在一起的，电流是一样的，跟你的恒流源飘不飘没关系

redroof · 发表于 2023-10-19 22:05:27

本帖最后由 redroof 于 2023-10-19 22:08 编辑

Joshua_Astray 发表于 2023-10-19 21:57
问题是，你用恒流源经过PT100+标准电阻，看的是PT100的ADC和标准电阻的ADC的比值，这两个是串在一起的， ...
(引用自43楼)

我不是说漂，而是说它在不同负载电阻下的值的变化。
多通道的一个常见测法是用同一个恒流源先测参考电阻，再测被测的电阻，两次测量值的比例就是俩电阻的比例。这个测法要求恒流源对不同的电阻都能保持一样的电流，不管这个电流是多少，也不管它有没有温漂，只管它在一秒钟内得是恒定的，负载电阻是100欧还是200欧它输出的电流都必须一样。
高级台表内部测电阻，测pt100都是这么干的。
这个电流源唯一个要求就是对不同的负载电阻都得输出相同的电流值。温漂和长稳都不用管。

redroof · 发表于 2023-10-19 22:13:38

Joshua_Astray 发表于 2023-10-19 21:57
问题是，你用恒流源经过PT100+标准电阻，看的是PT100的ADC和标准电阻的ADC的比值，这两个是串在一起的， ...
(引用自43楼)

把标准电阻和被测pt100串起来只能做单通道。多通道的情况下，中间的通道切换开关的导通电阻没法处理。

国产称重ADC测量PT100心得分享

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