В данной статье сделана попытка сравнить работу двух АЦП – cs1238 (Chipsea Tech Shenzhen) и mcp3424 (Microchip) в диапазоне входных напряжений 0-30мВ.

Диапазон напряжений выбран под требуемый рабочий диапазон температур (20 °С…760 °С) термопары хромель-алюмель.

cs1238 - прецизионный АЦП с двумя входными дифференциальным каналами и встроенным температурным датчиком. Источник опорного напряжения – внешний. Перевод даташита на английский язык младшей версии - cs1237.

mcp3424 - прецизионный АЦП с четырьмя входными дифференциальным каналами. Источник опорного напряжения – внутренний = 2.048В ± 0.05%, типовой температурный дрейф 15 ppm/°C.

Общая схема эксперимента:

Микроконтроллер esp32 через схему формирования уровней вырабатывает два тестовых напряжения AOUT+ и AOUT-, которые затем подаются на дифференциальный вход mcp3424 (задействован только первый канал) и на дифференциальные входы модуля на основе cs1238. Модуль на основе cs1238 помещен в «климатическую камеру». После формирования сигналов esp32 производит опрос показаний cs1238, mcp3424, их преобразование, сравнение и отправку результатов на компьютер.

Схема модуля на основе cs1238:

Схема «тестера»:

Вывод IO25 – выход первого канала встроенного в esp32 8-ми битного ЦАП (DAC), с выходным диапазоном напряжений от 0В (для кода DAC = 0) до 3.3В (для кода DAC = 255). Линия AOUT- смещена относительно GND на 1.25В. На линии AOUT+ формируется напряжение U_AOUT+ = (U_DAC*47/2247 + 2.5)/2 ≈ 0.0105* U_DAC + 1.25 В. Таким образом между линиями AOUT+ и AOUT- формируется тестовый сигнал в диапазоне от 0 до 30мВ, который далее подается на mcp3424 (для оцифровки) и на испытуемый модуль cs1238.

Подключение "тестера" к модулю cs1238:

Каналы 1,2 соединены вместе, на вход второго канала подключен резистор 100К. Сигнальные провода AOUT+ и AOUT- подключены экранированной витой парой, экран соединен с GND. AOUT+ и AOUT- припаяны на вход первого канала cs1238 к выводам конденсатора C4.

Питание и линии обмена подключены проводом мгтф-0.07, без экранировки.

Длинна обоих кабелей 0.5-0.7м.

АЦП mcp3424 сконфигурирован следующим образом: коэффициент усиления PGA=8, разрядность = 18 бит (≈3.75 выборок / с). С учетом встроенного ИОН = 2.048 В, для mcp3424 получается фиксированный коэффициент для расчета напряжения: 1.953125 мкВ / код.

Частота преобразования для cs1238 задавалась равной 40 Гц. Схема опроса:

1. Сначала опрашиваются каналы 1, 2 с коэффициентом усиления = 2;

2. Затем опрашивается температурный канал 3, с коэффициентом усиления = 1.

При переключении каналов на 40 Гц опросе cs1238 выжидает три цикла преобразования, таким образом опрос каждого канала занимает ≈ 100мс. Что для трех каналов cs1238 приводит к ≈3.33 выборок / с.

Для перевода кода измерения канала в мкВ для каналов 1,2 и в градусы для канала 3 используем следующие формулы:

U1 = CODE1*K1(CODE3) + OFFSET1

U2 = CODE2*K2(CODE3) + OFFSET2

T = KT*CODE3 + T0

где:

    U1, U2 – показания каналов 1,2 cs1238, в мкВ;

    T – температура, в ° C;

    KT, T0 - коэффициенты преобразования для расчета температуры;

    CODE1, CODE2, CODE3 – коды каналов 1,2,3 cs1238;

    K1(CODE3), K2(CODE3) – коэффициенты преобразования мкВ/код для каналов 1, 2, рассчитанные по показаниям температурного канала cs1238;

    OFFSET1, OFFSET2 – смещение ноля первого и второго канала cs1238.

Калибровка

Для перевода полученных от cs1238 кодов с каналов 1,2,3 в физические величины (мкВ, °C) необходимо рассчитать коэффициенты преобразования. Определение коэффициентов преобразования мкВ/код, ° С/код и смещений cs1238 было сделано следующим образом:

1. модуль cs1238 нагревался/охлаждался до определенной температуры;

2. выставлялся уровень DAC = 0, после чего выдерживалась пауза 1с, и производилось 200 замеров mcp3424, с параллельным опросом трех каналов cs1238 (получалось 207-208 замеров). Полученные коды усреднялись;

3. выставлялся уровень DAC = 255, после чего выдерживалась пауза 1с, и производилось 200 замеров mcp3424, с параллельным опросом трех каналов cs1238. Полученные коды усреднялись;

4. по полученным усредненным кодам рассчитывались коэффициенты преобразования мкВ/код и смещения для каналов 1, 2.

Полученные точки температурной калибровки приведены в таблице ниже:

Исключая часть точек (первые замеры в группе температур слегка выбиваются из последующих, видимо это связано с тем что модуль к началу первых замеров еще не достаточно термостатировался) получаем зависимости коэффициентов от кода температурного канала.

Зависимость температуры от кода температурного канала (3-й канал cs1238) аппроксимируем линейной зависимостью:

Коэффициент мкВ/код в зависимости от кода температурного канала аппроксимируем зависимостью второго порядка, для примера приведен 1-й канал:

Смещение ноля каналов 1 и 2 примем константой, т.к. разброс не превышает 1 мкВ.

Таким образом получаем следующие коэффициенты в зависимости от кода температурного канала:

K1(CT) = -3.788712696323720E-15*CT² + 4.347611549088180E-09*CT + 7.323084189812140E-02 мкВ / код;

K2(CT) = -3.795516417335000E-15*CT² + 4.368142312542810E-09*CT + 7.307031291260290E-02 мкВ / код;

T(CT) = 3.502402389918730E-04*CT - 2.455608246967150E+02 ° C;

OFFSET1=46.73 мкВ;

OFFSET2=46.65 мкВ.

Ввиду того что каналы 1 и 2 подключены по разному (канал 2 подключен через делитель 100К-200 Ом) коэффициенты мкВ/код для каналов 1 и 2 отличаются. Отношение коэффициентов K1/K2 = 1.002 + 400.4/R_ВХ, где R_ВХ – входное сопротивление одного канала АЦП. Отсюда можно косвенно оценить величину входного сопротивления АЦП: R_ВХ = 400.4/(K1/K2-1.002) ≈ 70 М.

Шум входного сигнала

Для начала сравним уровни шума mcp3424 и cs1238. Делаем это следующим образом:

1. На DAC задаем уровень тестируемого сигнала;

2. Выдерживаем паузу 1с;

3. Производим 200 замеров mcp3424 и параллельно производим замеры с каналов 1,2,3 cs1238;

4. Пересчитываем показания cs1238 в микровольты с применением калибровочных коэффициентов;

5. Пересчитываем показания mcp3424 в микровольты;

6. Рассчитываем плотность вероятности для дискретных интервалов [U-1 мкВ, U+1 мкВ), где U – середина интервала, задается с шагом 2 мкВ.

В итоге получаем следующие распределения для разных уровней тестового сигнала:

1) для кода DAC=0 (начало интервала тестирования):

2) для кода DAC=64:

3) для кода DAC=128:

4) для кода DAC=192:

5) для кода DAC=255 (конец интервала тестирования):

Как видим распределения cs1238 и mcp3424 практически не отличаются и отдаленно напоминает нормальное распределение. Амплитуда шума тестового сигнала составляет порядка 8мкВ.

Запускаем поток измерений

Далее на вход модуля подавался ступенчатый тестовый сигнал, соответствующий линейно нарастающим от 0 до 255 кодам DAC. После подачи очередного значения на DAC выдерживалась пауза 1с, после чего считывались показания mcp3424 и трех каналов cs1238. Ниже приведены графики разницы показаний cs1238 и mcp3424. Параллельно производился нагрев/охлаждение модуля в камере.

Обозначения на графиках:

• deltaC1, uV – разница между показаниями первого канала cs1238 и mcp3424, мкВ;

• deltaC2, uV – разница между показаниями второго канала cs1238 и mcp3424, мкВ;

• T, C – температура, рассчитанная по показаниям третьего канала cs1238, °C.

Шаг сетки по оси OX - 256 секунд, или 256 измерений.

Первый участок, от 0 до 5120с:

Второй участок, от 5120с до 10240с:

Третий участок, от 10240с до 15360с:

Четвертый участок, от 15360с до 22016с:

Разница в показаниях на интервале времени 13000с-16000с доходящая до 50мкВ вероятнее всего вызвана нагревом mcp3424. После переключения камеры на охлаждение на ~16000с с корпуса «тестера» была снята крышка для охлаждения внутренностей до комнатной температуры. После чего разница в показаниях mcp3424 и cs1238 не превышала 8мкВ, т.е. уровня шума входного сигнала.