優(yōu)化 RTD 溫度傳感系統(tǒng)：參考設(shè)計(jì)

在本系列關(guān)于 RTD 的三部分文章的第一篇文章中，我們介紹了溫度測(cè)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(tǒng)優(yōu)化、外部組件的選擇以及如何評(píng)估最終的 RTD 系統(tǒng)。

RTD 系統(tǒng)優(yōu)化

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的問(wèn)題來(lái)看，設(shè)計(jì)和優(yōu)化 RTD 應(yīng)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(guò)的傳感器選擇和連接圖。挑戰(zhàn)二是測(cè)量配置，包括 ADC 配置、設(shè)置激勵(lì)電流、設(shè)置增益和選擇外部組件，同時(shí)確保系統(tǒng)優(yōu)化并在 ADC 規(guī)格內(nèi)運(yùn)行。最后，最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能以及哪些誤差源會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)誤差。

幸運(yùn)的是，有一個(gè)新的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator，它為從概念到原型設(shè)計(jì)的 RTD 測(cè)量系統(tǒng)提供了實(shí)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(cuò)誤源并允許設(shè)計(jì)優(yōu)化

該工具是圍繞 AD7124-4/AD7124-8 設(shè)計(jì)的。它允許客戶調(diào)整激勵(lì)電流、增益和外部元件等設(shè)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(lì)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(lì)電流幅度來(lái)產(chǎn)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(shè)計(jì)人員還必須確保大激勵(lì)電流值的功耗或自熱效應(yīng)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇高激勵(lì)電流。但是，為了最大限度地減少自熱，需要在測(cè)量之間關(guān)閉激勵(lì)電流。設(shè)計(jì)人員需要考慮系統(tǒng)的時(shí)間影響。另一種方法是選擇較低的激勵(lì)電流以最大限度地減少自熱。現(xiàn)在時(shí)間已最小化，但設(shè)計(jì)人員需要確定系統(tǒng)性能是否受到影響。所有場(chǎng)景都可以通過(guò)RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator。該工具允許用戶平衡激勵(lì)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(shí)調(diào)整 ADC 增益和速度，以提供更好的分辨率和更好的系統(tǒng)性能，這意味著更低的噪聲和更低的失調(diào)誤差。

為了理解最終的濾波器配置文件或更深入地了解轉(zhuǎn)換的時(shí)間，VirtualEval 在線工具提供了這些詳細(xì)信息。

sigma-delta ADC 的 ADC 輸入和參考輸入均由開(kāi)關(guān)電容前端連續(xù)采樣。對(duì)于正在討論的 RTD 系統(tǒng)，參考輸入也由外部參考電阻驅(qū)動(dòng)。建議在 sigma-delta ADC 的模擬輸入上使用外部 RC 濾波器，以實(shí)現(xiàn)抗混疊目的。出于 EMC 目的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致測(cè)量中的增益誤差，因?yàn)榍岸穗娐窙](méi)有足夠的時(shí)間在采樣時(shí)刻之間穩(wěn)定下來(lái)。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(duì)于 AD7124-4/AD7124-8，當(dāng)使用大于 1 的內(nèi)部增益時(shí)，模擬輸入緩沖器會(huì)自動(dòng)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(duì)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(hào)為低電平。它們的數(shù)量級(jí)為數(shù)百 mV。為了獲得最佳性能，可以使用具有寬動(dòng)態(tài)范圍的 ADC。或者，可以使用增益級(jí)在將信號(hào)施加到 ADC 之前對(duì)其進(jìn)行放大。AD7124-4/AD7124-8 支持從 1 到 128 的增益，從而允許針對(duì)各種激勵(lì)電流進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。PGA 增益的多個(gè)允許選項(xiàng)允許設(shè)計(jì)人員在激勵(lì)電流值與增益、外部元件和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。RTD 配置器工具指示新的激勵(lì)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(qǐng)注意，該工具可確保 ADC 的使用符合規(guī)格——它會(huì)顯示支持配置的可能增益。AD7124 激勵(lì)電流具有輸出合規(guī)性;也就是說(shuō)，提供激勵(lì)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員確保系統(tǒng)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(duì)系統(tǒng)誤差的影響將在后面討論。

濾波選項(xiàng)(模擬和數(shù)字 50 Hz/60 Hz 抑制)

如前所述，建議使用 Sigma-Delta 轉(zhuǎn)換器的抗混疊濾波器。由于嵌入式濾波器是數(shù)字濾波器，因此頻率響應(yīng)反映在采樣頻率附近。需要抗混疊濾波來(lái)充分衰減調(diào)制器頻率和該頻率的任何倍數(shù)處的任何干擾。由于 Sigma-Delta 轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬輸入進(jìn)行過(guò)采樣，因此抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，只需一個(gè)簡(jiǎn)單的單極 RC 濾波器即可。

當(dāng)最終系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，處理系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)化、儀器儀表、過(guò)程控制或電源控制等應(yīng)用領(lǐng)域，這些應(yīng)用領(lǐng)域需要耐受噪聲，同時(shí)又不能對(duì)鄰近組件造成噪聲。噪聲、瞬變或其他干擾源會(huì)影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和分辨率。當(dāng)系統(tǒng)由主電源供電時(shí)，也可能發(fā)生干擾。主電源頻率在歐洲為 50 Hz 及其倍數(shù)，在美國(guó)為 60 Hz 及其倍數(shù)。因此，在設(shè)計(jì) RTD 系統(tǒng)時(shí)，必須考慮具有 50 Hz/60 Hz 抑制功能的濾波電路。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師希望設(shè)計(jì)一個(gè)可以同時(shí)抑制 50 Hz 和 60 Hz 的通用系統(tǒng)。

大多數(shù)較低帶寬 ADC(包括 AD7124-4/AD7124-8)都提供各種數(shù)字濾波選項(xiàng)，這些選項(xiàng)可以編程為將陷波設(shè)置為 50 Hz/60 Hz。所選的濾波器選項(xiàng)會(huì)影響輸出數(shù)據(jù)速率、建立時(shí)間以及 50 Hz 和 60 Hz 抑制。啟用多個(gè)通道時(shí)，每次切換通道時(shí)都需要建立時(shí)間來(lái)生成轉(zhuǎn)換;因此，選擇具有較長(zhǎng)建立時(shí)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(shí)間內(nèi)提供合理的同時(shí) 50 Hz/60 Hz 抑制，從而提高吞吐率。

電源考慮

系統(tǒng)的電流消耗或功率預(yù)算分配高度依賴于最終應(yīng)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(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于任何便攜式或遠(yuǎn)程應(yīng)用，必須使用低功耗組件和配置，而對(duì)于某些工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)由 4 mA 至 20 mA 環(huán)路供電，因此僅允許最大 4 mA 的電流預(yù)算。對(duì)于此類應(yīng)用，可以在中功率或低功耗模式下對(duì)器件進(jìn)行編程。速度要低得多，但 ADC 仍能提供高性能。如果應(yīng)用是過(guò)程控制，由主電源供電，則允許更高的電流消耗，因此該設(shè)備可以在全功率模式下進(jìn)行編程，并且該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出數(shù)據(jù)速率和更高的性能。

誤差源和校準(zhǔn)選項(xiàng)

了解所需的系統(tǒng)配置后，下一步是估算與 ADC 和系統(tǒng)誤差相關(guān)的誤差。這可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解前端和 ADC 配置是否滿足總體目標(biāo)精度和性能。RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允許用戶修改系統(tǒng)配置以獲得最佳性能。系統(tǒng)誤差餅圖表明，外部參考電阻的初始精度及其溫度系數(shù)是導(dǎo)致整體系統(tǒng)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(shù)的外部參考電阻非常重要。

ADC 引起的誤差并不是整個(gè)系統(tǒng)誤差中最重要的誤差因素。但是，使用 AD7124-4/AD7124-8 的內(nèi)部校準(zhǔn)模式可以進(jìn)一步降低 ADC 的誤差貢獻(xiàn)。建議在上電或軟件初始化時(shí)進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，以消除 ADC 增益和失調(diào)誤差。請(qǐng)注意，這些校準(zhǔn)不會(huì)消除外部電路產(chǎn)生的誤差。但是，ADC 也可以支持系統(tǒng)校準(zhǔn)，以便最大限度地減少系統(tǒng)失調(diào)和增益誤差，但這可能會(huì)增加額外的成本，并且對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能不需要。

故障檢測(cè)

對(duì)于任何惡劣環(huán)境或以安全為首要考慮的應(yīng)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(shí)現(xiàn)了更小、更簡(jiǎn)單、更省時(shí)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(nèi)

· 串行外設(shè)接口 (SPI) 總線上的循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)

· 內(nèi)存映射上的 CRC

· 信號(hào)鏈檢查

這些診斷可帶來(lái)更強(qiáng)大的解決方案。根據(jù) IEC 61508，典型 3 線 RTD 應(yīng)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(tǒng)評(píng)估

顯示了電路筆記 CN-0383 中的一些測(cè)量數(shù)據(jù)。這些測(cè)量數(shù)據(jù)由 AD7124-4/AD7124-8 評(píng)估板捕獲，該評(píng)估板包括 2 線、3 線和 4 線 RTD 的演示模式，并計(jì)算了相應(yīng)的攝氏度值。結(jié)果表明，2 線 RTD 實(shí)現(xiàn)的誤差更接近誤差邊界的下限，而 3 線或 4 線 RTD 實(shí)現(xiàn)的總體誤差完全在允許限度之內(nèi)。2 線測(cè)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(dāng)與ADI的較低帶寬的sigma-deltaADC一起使用時(shí)，如AD7124-4/AD7124-8，遵循上述RTD指南將導(dǎo)致高精度、高性能的設(shè)計(jì)。電路注釋(CN-0383)也將作為一個(gè)參考設(shè)計(jì)，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)者快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。評(píng)估板允許用戶評(píng)估系統(tǒng)性能，其中可以使用每個(gè)樣本配置演示模式。今后，可以使用AD7124-4/AD7124-8產(chǎn)品頁(yè)面中提供的ADI生成的樣本代碼，輕松開(kāi)發(fā)針對(duì)不同RTD配置的固件。

采用 sigma-delta 架構(gòu)的 ADC(例如 AD7124-4/AD7124-8)適用于 RTD 測(cè)量應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兘鉀Q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(wèn)題。它們還高度集成，包含 RTD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的所有功能。此外，它們還提供增強(qiáng)功能，例如校準(zhǔn)功能和嵌入式診斷。這種集成度以及完整的系統(tǒng)附屬品或生態(tài)系統(tǒng)將簡(jiǎn)化從概念到原型設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)、成本和設(shè)計(jì)周期。

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(píng)估板硬件和軟件以及 CN-0383 來(lái)解決不同的挑戰(zhàn)，例如連接問(wèn)題和總體錯(cuò)誤預(yù)算，并將用戶的設(shè)計(jì)提升到新的水平。

結(jié)論

本文表明，設(shè)計(jì) RTD 溫度測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性、多步驟的過(guò)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(tǒng)性能。ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator 工具、在線工具 VirtualEval、評(píng)估板硬件和軟件以及 CN-0383 通過(guò)解決連接和總體誤差預(yù)算問(wèn)題來(lái)簡(jiǎn)化流程。