国产称重ADC测量PT100心得分享

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。

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。

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。

   
    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。


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。


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


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