在本系列關于 RTD 的三部分文章的第一篇文章中，我們介紹了溫度測量挑戰(zhàn)、RTD 類型、不同配置以及 RTD 配置電路。在第二篇文章中，我們概述了三種不同的 RTD 配置：2 線、3 線和 4 線。在本系列的最后一篇文章中，我們將探討 RTD 系統優(yōu)化、外部組件的選擇以及如何評估最終的 RTD 系統。
RTD 系統優(yōu)化
從系統設計人員的問題來看，設計和優(yōu)化 RTD 應用解決方案涉及不同的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)一是前幾節(jié)討論過的傳感器選擇和連接圖。挑戰(zhàn)二是測量配置，包括 ADC 配置、設置激勵電流、設置增益和選擇外部組件，同時確保系統優(yōu)化并在 ADC 規(guī)格內運行。最后，最關鍵的問題是如何實現目標性能以及哪些誤差源會導致整個系統誤差。
幸運的是，有一個新的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator，它為從概念到原型設計的 RTD 測量系統提供了實際解決方案。
工具：
· 幫助理解正確的配置、接線和電路圖
· 幫助理解不同的錯誤源并允許設計優(yōu)化
該工具是圍繞 AD7124-4/AD7124-8 設計的。它允許客戶調整激勵電流、增益和外部元件等設置。它指示超出范圍的條件，以確保最終解決方案符合 ADC 的規(guī)格。
激勵電流、增益和外部元件的選擇
理想情況下，我們傾向于選擇更高的激勵電流幅度來產生更高的輸出電壓并最大化 ADC 輸入范圍。但是，由于傳感器是電阻性的，設計人員還必須確保大激勵電流值的功耗或自熱效應不會影響測量結果。系統設計人員可以選擇高激勵電流。但是，為了最大限度地減少自熱，需要在測量之間關閉激勵電流。設計人員需要考慮系統的時間影響。另一種方法是選擇較低的激勵電流以最大限度地減少自熱?，F在時間已最小化，但設計人員需要確定系統性能是否受到影響。所有場景都可以通過RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator。該工具允許用戶平衡激勵電流、增益和外部組件的選擇，以確保模擬輸入電壓得到優(yōu)化，同時調整 ADC 增益和速度，以提供更好的分辨率和更好的系統性能，這意味著更低的噪聲和更低的失調誤差。
為了理解最終的濾波器配置文件或更深入地了解轉換的時間，VirtualEval 在線工具提供了這些詳細信息。
sigma-delta ADC 的 ADC 輸入和參考輸入均由開關電容前端連續(xù)采樣。對于正在討論的 RTD 系統，參考輸入也由外部參考電阻驅動。建議在 sigma-delta ADC 的模擬輸入上使用外部 RC 濾波器，以實現抗混疊目的。出于 EMC 目的，系統設計人員可以在模擬輸入和參考輸入上使用較大的 R 和 C 值。較大的 RC 值可能會導致測量中的增益誤差，因為前端電路沒有足夠的時間在采樣時刻之間穩(wěn)定下來。緩沖模擬和參考輸入可防止這些增益誤差，并允許使用不受限制的 R 和 C 值。
對于 AD7124-4/AD7124-8，當使用大于 1 的內部增益時，模擬輸入緩沖器會自動啟用，并且由于 PGA 位于輸入緩沖器的前面，因此由于 PGA 是軌到軌的，所以模擬輸入也是軌到軌的。但是，對于參考緩沖器或使用增益為 1 的 ADC 且模擬輸入緩沖器已啟用，則必須確保滿足正確操作所需的裕量。
Pt100 的信號為低電平。它們的數量級為數百 mV。為了獲得最佳性能，可以使用具有寬動態(tài)范圍的 ADC?；蛘?，可以使用增益級在將信號施加到 ADC 之前對其進行放大。AD7124-4/AD7124-8 支持從 1 到 128 的增益，從而允許針對各種激勵電流進行優(yōu)化設計。PGA 增益的多個允許選項允許設計人員在激勵電流值與增益、外部元件和性能之間進行權衡。RTD 配置器工具指示新的激勵電流值是否可以與所選的 RTD 傳感器一起使用。還建議使用合適的精密參考電阻和參考余量電阻值。請注意，該工具可確保 ADC 的使用符合規(guī)格——它會顯示支持配置的可能增益。AD7124 激勵電流具有輸出合規(guī)性;也就是說，提供激勵電流的引腳上的電壓需要與 AVDD 有一定的裕度。該工具還將確保滿足此合規(guī)性規(guī)格。
RTD 工具可幫助系統設計人員確保系統符合 ADC 和 RTD 傳感器的工作限值。外部元件(例如參考電阻)的精度及其對系統誤差的影響將在后面討論。
濾波選項(模擬和數字 50 Hz/60 Hz 抑制)
如前所述，建議使用 Sigma-Delta 轉換器的抗混疊濾波器。由于嵌入式濾波器是數字濾波器，因此頻率響應反映在采樣頻率附近。需要抗混疊濾波來充分衰減調制器頻率和該頻率的任何倍數處的任何干擾。由于 Sigma-Delta 轉換器對模擬輸入進行過采樣，因此抗混疊濾波器的設計大大簡化，只需一個簡單的單極 RC 濾波器即可。
當最終系統在現場使用時，處理系統運行環(huán)境的噪聲或干擾可能非常具有挑戰(zhàn)性，特別是在工業(yè)自動化、儀器儀表、過程控制或電源控制等應用領域，這些應用領域需要耐受噪聲，同時又不能對鄰近組件造成噪聲。噪聲、瞬變或其他干擾源會影響系統的準確性和分辨率。當系統由主電源供電時，也可能發(fā)生干擾。主電源頻率在歐洲為 50 Hz 及其倍數，在美國為 60 Hz 及其倍數。因此，在設計 RTD 系統時，必須考慮具有 50 Hz/60 Hz 抑制功能的濾波電路。許多系統設計師希望設計一個可以同時抑制 50 Hz 和 60 Hz 的通用系統。
大多數較低帶寬 ADC(包括 AD7124-4/AD7124-8)都提供各種數字濾波選項，這些選項可以編程為將陷波設置為 50 Hz/60 Hz。所選的濾波器選項會影響輸出數據速率、建立時間以及 50 Hz 和 60 Hz 抑制。啟用多個通道時，每次切換通道時都需要建立時間來生成轉換;因此，選擇具有較長建立時間的濾波器類型(即 sinc4 或 sinc3)將降低整體吞吐率。在這種情況下，后置濾波器或 FIR 濾波器可用于在較低的建立時間內提供合理的同時 50 Hz/60 Hz 抑制，從而提高吞吐率。
電源考慮
系統的電流消耗或功率預算分配高度依賴于最終應用。AD7124-4/AD7124-8 包含三種功率模式，可在性能、速度和功率之間進行權衡。對于任何便攜式或遠程應用，必須使用低功耗組件和配置，而對于某些工業(yè)自動化應用，整個系統由 4 mA 至 20 mA 環(huán)路供電，因此僅允許最大 4 mA 的電流預算。對于此類應用，可以在中功率或低功耗模式下對器件進行編程。速度要低得多，但 ADC 仍能提供高性能。如果應用是過程控制，由主電源供電，則允許更高的電流消耗，因此該設備可以在全功率模式下進行編程，并且該系統可以實現更高的輸出數據速率和更高的性能。
誤差源和校準選項
了解所需的系統配置后，下一步是估算與 ADC 和系統誤差相關的誤差。這可幫助系統設計人員了解前端和 ADC 配置是否滿足總體目標精度和性能。RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允許用戶修改系統配置以獲得最佳性能。系統誤差餅圖表明，外部參考電阻的初始精度及其溫度系數是導致整體系統誤差的主要誤差因素。因此，考慮使用具有更高精度和更好溫度系數的外部參考電阻非常重要。
ADC 引起的誤差并不是整個系統誤差中最重要的誤差因素。但是，使用 AD7124-4/AD7124-8 的內部校準模式可以進一步降低 ADC 的誤差貢獻。建議在上電或軟件初始化時進行內部校準，以消除 ADC 增益和失調誤差。請注意，這些校準不會消除外部電路產生的誤差。但是，ADC 也可以支持系統校準，以便最大限度地減少系統失調和增益誤差，但這可能會增加額外的成本，并且對于大多數應用來說可能不需要。
故障檢測
對于任何惡劣環(huán)境或以安全為首要考慮的應用，診斷正成為行業(yè)要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8 中的嵌入式診斷功能減少了執(zhí)行診斷所需的外部元件，從而實現了更小、更簡單、更省時且更節(jié)省成本的解決方案。
診斷包括：
· 檢查模擬引腳上的電壓水平，以確保其在指定的工作范圍內
· 串行外設接口 (SPI) 總線上的循環(huán)冗余校驗 (CRC)
· 內存映射上的 CRC
· 信號鏈檢查
這些診斷可帶來更強大的解決方案。根據 IEC 61508，典型 3 線 RTD 應用的故障模式、影響和診斷分析 (FMEDA) 表明安全故障率 (SFF) 大于 90%。
RTD 系統評估
顯示了電路筆記 CN-0383 中的一些測量數據。這些測量數據由 AD7124-4/AD7124-8 評估板捕獲，該評估板包括 2 線、3 線和 4 線 RTD 的演示模式，并計算了相應的攝氏度值。結果表明，2 線 RTD 實現的誤差更接近誤差邊界的下限，而 3 線或 4 線 RTD 實現的總體誤差完全在允許限度之內。2 線測量中的較高誤差是由于前面描述的引線電阻誤差造成的。
這些例子表明，當與ADI的較低帶寬的sigma-deltaADC一起使用時，如AD7124-4/AD7124-8，遵循上述RTD指南將導致高精度、高性能的設計。電路注釋(CN-0383)也將作為一個參考設計，幫助系統設計者快速進行原型設計。評估板允許用戶評估系統性能，其中可以使用每個樣本配置演示模式。今后，可以使用AD7124-4/AD7124-8產品頁面中提供的ADI生成的樣本代碼，輕松開發(fā)針對不同RTD配置的固件。
采用 sigma-delta 架構的 ADC(例如 AD7124-4/AD7124-8)適用于 RTD 測量應用，因為它們解決了 50 Hz/60 Hz 抑制以及模擬和可能的參考輸入上的寬共模范圍等問題。它們還高度集成，包含 RTD 系統設計所需的所有功能。此外，它們還提供增強功能，例如校準功能和嵌入式診斷。這種集成度以及完整的系統附屬品或生態(tài)系統將簡化從概念到原型設計的整體系統設計、成本和設計周期。
為了簡化系統設計人員的工作，可以使用RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具以及在線工具 VirtualEval、評估板硬件和軟件以及 CN-0383 來解決不同的挑戰(zhàn)，例如連接問題和總體錯誤預算，并將用戶的設計提升到新的水平。
結論
本文表明，設計 RTD 溫度測量系統是一個具有挑戰(zhàn)性、多步驟的過程。它需要在不同傳感器配置、ADC 選擇和優(yōu)化方面做出選擇，并確定這些決策如何影響整體系統性能。ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 工具、在線工具 VirtualEval、評估板硬件和軟件以及 CN-0383 通過解決連接和總體誤差預算問題來簡化流程。
下載文檔
