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额温枪方案---零温漂运放 DS8551典型运用电路

作者:fanxiaoxi 时间:2023-09-01 收藏

  手持式红外测温仪,所使用的原理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号,红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应,根据转变成电信号大小,可以确定人体体温。手持红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。手持红外测温仪便捷、、安全,在医疗、设备故障诊断中的应用较为广泛。

  为方便广大研发工程师快速选型、加快研发进度,本文提供了信号调理部分的电路供参考。手持式红外测温仪通常使用红外热电堆传感器(Infrared thermopile sensor),热电堆传感器常用于非接触式的红外测温,因为高于零度的任何物体都可以发出红外线,并且物体辐射出的能量随着物体表面温度的增加而增强,基于这个关系,热电堆传感器可以测出物体辐射出的能量并准确测出物体表面的温度。

  因为被测物体每变化1°C,热电堆传感器输出仅仅增加50uV~100uV,这样0.1°C 分辨率对应的输出电压变化只有5uV~10uV,所以选择热电堆探头选用高灵敏度的。另外根据不同的测温距离,选用不同视场角的探头,因为热电堆探头实际输出的电压值,是整个视场角范围内物体的平均温度值。另外为了提高热电堆探头输出的信噪比,热电堆内部等效的电阻值也是关键因素之一,电阻的阻值越大,其输出热噪声就会相应更大。

  正是因为热电堆传感器输出的信号如此微弱,使得经放大后的电压误差也需要很小,只有零漂移自稳零类型的运放,才能满足信号的放大调理。这类运放内部有一个主放大器,还有一个辅助的放大器,用于每隔us级别的时间间隔自动校准失调电压,以实时保证失调电压为值,特别适用于低频信号的放大调理。

  需要注意的是失调电压越大,引入的误差就越大,如果要校准掉失调电压的影响,无疑要增加硬件的设计复杂度,也会增加产线加工的工序和复杂度,成本也随之增加并降低生产效率。特别需要注意,如果要实现额温枪的为±0.3°C以内,那么热电堆在0.3°C产生的电压仅为15uV~30uV,意味着运放的失调电压值都不能大于15uV~30uV。由于热电堆传感器内阻为100kΩ 左右,属于比较大的电阻,这样要求运放的输入偏置电流必须是pA级别的才能减少带来的误差,所以运放只能是CMOS架构的。

  下图是一款零温漂运放DS8551在手持测温枪上的典型应用电路,研发工程师可以将它做为设计参考。DS8551输入失调电压小于3uV,直流增益高达140db,非常适合此类应用的设计。

  应用要点:

  1. R1,R2构成了一个反馈电路,其放大倍数为BETA=R2/R1=510.反馈电阻R2需要并联一个C3=100nF电容,把整个电路的带宽限制在10Hz以内,充分降低放大电路的输出噪声。重要的是运放的1/f 噪声;减小C3可以提高运放的相应时间,但是会引入更多的噪声,需要应用工程师自行取舍。R4取R4=R1。

  2. 运放输出端接R3,C5组成的RC滤波后输出VOUT。因为DS8551运放自身有补偿,所以R3不能太小,否则C5=100nF会引入一个低频极点,有可能造成输出的震荡。

  3. DS8551可通过R6和C1的RC滤波给电源端+VS供电,R6不能太大,否则影响运放供电能力。

  4. R5取值根据热电堆中的NTC具体参数来取,热电堆PIN2输出给MCU的ADC采样做温度补偿。

  5. 考虑到运放输出的范围,VBIAS建议取值1/2的VCC,可以用电阻分压来实现,也可以接一个特定参考VREF,VREF推荐范围为0.3VCC~0.7VCC

  6. VCC范围建议为3V~5V

  7. VOUT给MCU的ADC采样,公式为Vdiff=(VTP+)-(VTP-)=(VOUT-VBIAS)/(BETA+1),根据Vdiff值以及NTC的温度,查表得到被检测物体的温度。由于运放已将小信号放大,降低了对MCU的ADC的要求。



关键词: 电路

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