帶三線式補(bǔ)償?shù)?2位、300 kSPS、單電源、完全隔離式RTD溫度測量系統(tǒng)
評估和設(shè)計支持
電路評估板
CN0337電路評估板(EVAL-CN0337-PMDZ)
SDP/PMD轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z)
系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)
設(shè)計和集成文件
原理圖、布局文件、物料清單
電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路是只采用了三個有源器件的完全隔離式12位、300 kSPS RTD溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可處理Pt100 RTD輸出,集成創(chuàng)新電路,通過標(biāo)準(zhǔn)三線式連接實(shí)現(xiàn)引線補(bǔ)償。該電路采用3.3 V單電源供電。室溫校準(zhǔn)后,在±10°C溫度變化范圍內(nèi)的總誤差不超過±0.24% FSR,是各種工業(yè)溫度測量應(yīng)用的理想之選。
對于精度、成本和尺寸極為關(guān)鍵的溫度測量應(yīng)用,該電路的小巧尺寸使得該組合成為業(yè)界領(lǐng)先的溫度測量解決方案。數(shù)據(jù)和電源相互隔離,因而該電路具有出色的高電壓耐受性,同時還能有效避免惡劣工業(yè)環(huán)境下常見的接地環(huán)路干擾問題。
這款實(shí)現(xiàn)三線式RTD引線補(bǔ)償?shù)膭?chuàng)新電路,由保加利亞瓦爾納技術(shù)大學(xué)電子工程和微電子系副教授Hristo Ivanov Gigov博士以及工程師和博士生Stanimir Krasimirov Stankov開發(fā)。
圖1. 帶隔離的電阻偏差至數(shù)字轉(zhuǎn)換,使用Pt100 RTD傳感器(未顯示去耦和所有連接)
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電路描述
該電路的輸入級是一個RTD信號調(diào)理電路,采用補(bǔ)償三線式連接RTD。該電路將RTD輸入電阻范圍(100 Ω至212.05 Ω,0°C至300°C溫度范圍)轉(zhuǎn)換至兼容ADC輸入范圍(0 V至2.5 V)的電壓電平。
RTD激勵電流由運(yùn)算放大器U1C提供,等于四通道AD8608的四分之一。100 mV基準(zhǔn)電壓VR由2.5 V ADC基準(zhǔn)電壓驅(qū)動的R8/R9分頻器產(chǎn)生,進(jìn)而生成VR/(R1||R2) RTD激勵電流,數(shù)值約為1.05 mA。
激勵電流在RTD兩端產(chǎn)生數(shù)值約為117.6 mV(105 mV至222.6 mV)的電壓變化,溫度變化范圍為0°C至300°C。U1A運(yùn)算放大器將該電壓變化放大19.6倍,產(chǎn)生2.3 V輸出范圍。電阻R2與電阻R1并聯(lián),對輸出范圍進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,以便U1A運(yùn)算放大器輸出0.1 V至2.4 V,從而匹配ADC的輸入范圍(0 V至2.5 V),同時提供100 mV裕量以保持線性度性能??梢孕薷碾娮柚?,以適應(yīng)本電路筆記后面部分所述的其他常用溫度范圍。
該電路設(shè)計支持單電源供電。AD8608的最小額定輸出電壓為50 mV(2.7 V電源)和290 mV(5 V電源),負(fù)載電流為10 mA,溫度范圍為−40°C至+125°C。在3.3 V電源、負(fù)載電流低于1 mA、溫度范圍更窄的情況下,保守估計最小輸出電壓為45 mV至60 mV。
考慮到器件的容差,最小輸出電壓(范圍下限)設(shè)為100 mV,以提供安全裕量。輸出范圍的上限設(shè)為2.4 V,以便為ADC輸入端的正擺幅提供100 mV的裕量。因此,運(yùn)算放大器的標(biāo)稱輸出電壓范圍為0.1 V至2.4 V。
運(yùn)算放大器U1B用來緩沖AD7091R (U3) ADC的內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓。
本應(yīng)用中選用四通道運(yùn)算放大器AD8608的原因是該器件具有低失調(diào)電壓(最大值75 µV)、低偏置電流(最大值1 pA)和低噪聲(最大值12 nV/√Hz)等特性。在3.3V電源下,功耗僅為18.5 mW。
U1D運(yùn)算放大器提供三線式校正信號,可補(bǔ)償引線電阻r1和r2產(chǎn)生的誤差。從點(diǎn)A到TP1的增益為+19.6,從點(diǎn)B到TP1的增益為−39.2。點(diǎn)A處的電壓含有正誤差項,數(shù)值等于r1和r2上的壓降。點(diǎn)B處的電壓含有正誤差項,數(shù)值等于r2上的壓降,可忽略r3上的小數(shù)值壓降。由于點(diǎn)B到TP1的增益為負(fù)且數(shù)值等于點(diǎn)A到TP1增益的兩倍,因此r1和r2上的壓降產(chǎn)生的誤差抵消(假定r1 = r2)。
運(yùn)算放大器的輸出級后接一個單極點(diǎn)RC濾波器(R11/C9),用于降低帶外噪聲。RC濾波器的截止頻率設(shè)為664 kHz。在有低頻工業(yè)噪聲的情況下,額外的二階濾波器(增加電容C10和C11)用于降低濾波器截止頻率。此時,AD7091R將不會工作在最大吞吐速率下。為了提升轉(zhuǎn)換速度,請勿填充C10和C11。
選擇AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是因為其在3.3 V (1.2 mW)下的功耗超低,僅為349 μA,顯著低于當(dāng)前市場上競爭對手的任何ADC。AD7091R還內(nèi)置一個2.5 V的基準(zhǔn)電壓源,其典型漂移為±4.5 ppm/oC。輸入帶寬為7.5 MHz,且高速串行接口兼容SPI。AD7091R采用小型10引腳MSOP封裝。
采用3.3V電源供電時,該電路的總功耗(不包括ADuM5401隔離器)約為20 mW。
電流隔離由四通道數(shù)字隔離器ADuM5401(C級)提供。除了隔離輸出數(shù)據(jù)以外,ADuM5401還為該電路提供隔離+3.3 V電源。除非需要隔離,否則電路正常運(yùn)行時并不需要ADuM5401。ADuM5401四通道2.5 kV隔離器集成DC/DC轉(zhuǎn)換器,采用小型16引腳SOIC封裝。ADuM5401在7 MHz時鐘頻率下的功耗約為140 mW。
AD7091R需要50 MHz的串行時鐘(SCLK),方能實(shí)現(xiàn)1 MSPS的采樣速率。然而,ADuM5401(C級)隔離器的最大數(shù)據(jù)速率為25 Mbps,對應(yīng)的最大串行時鐘頻率為12.5 MHz。另外,SPI端口要求,SCLK的后沿將輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動至處理器,因此,ADuM5401的總雙向傳播延遲(最大值120 ns)將時鐘上限限制在1/120 ns = 8.3 MHz。
盡管AD7091R是一款12位ADC,但串行數(shù)據(jù)同樣被格式化為16位字,以便與處理器串行端口要求相兼容。因此,采樣周期TS包括AD7091R 650 ns的轉(zhuǎn)換時間加上58 ns(數(shù)據(jù)手冊要求的額外時間,t1延遲 + tQUIET延遲),再加上用于SPI接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)?6個時鐘周期。
為了提供安全裕量,建議將SCLK和采樣速率的最大值分別設(shè)為7 MHz和300 kSPS。數(shù)字SPI接口可以用12引腳且兼容Pmod的連接器(Digilent Pmod規(guī)格)連接到微處理器評估板。
圖2. 采用三線式連接的RTD信號調(diào)理電路
電路設(shè)計
圖2所示電路可將100 Ω至212.05 Ω的RTD電阻變化轉(zhuǎn)換為0.1 V至2.4 V的輸出電壓變化,兼容ADC輸入范圍。此外,該電路還可消除與導(dǎo)線電阻r1和r2有關(guān)的誤差。
圖2中電路的傳遞函數(shù)可通過疊加原理得到:
等式3顯示若滿足等式2,則引腳線路電阻完全得到補(bǔ)償。通過調(diào)節(jié)R4/R3的比例,可將增益設(shè)為所需的數(shù)值。
增益、輸出失調(diào)、電阻值和容差的計算
若溫度范圍為
0°C至300oC,則RTD Pt100電阻范圍為100 Ω至212.05 Ω,且圖2中電路的輸入電阻變化ΔR為0 Ω至112.05 Ω。因此,由等式3得到的電路增益為:
現(xiàn)在,必須將電路的輸出失調(diào)設(shè)為0.1 V。使輸出發(fā)生偏移的一種簡單方法是讓電阻R1′略為低于R0。注意,這樣會成比例影響增益。0.1 V輸出失調(diào)約為2.3 V總范圍的4.35%,因此比例R1′/R0必須低于0.9565。若要保持高輸出電平為2.4 V,則比例R4/R3可按比例校正。例如,R4 = 0.9565 × 41.06 × R3 = 39.27 kΩ。使用圖1中的標(biāo)準(zhǔn)電阻值,則電路能夠提供所需增益和輸出失調(diào)的良好近似值。通過將電阻R2 = 1.91 kΩ與電阻R1 = 100 Ω并聯(lián)連接,可形成R1′。
對于任何其他溫度范圍,或任何其他溫度傳感器而言(比如Pt200、Pt500、Pt1000、Pt2000),電阻值必須如下所示重新計算:
精度分析
等式1表示所有電阻都會對總誤差產(chǎn)生影響。如果仔細(xì)選擇這些值,因使用替代標(biāo)準(zhǔn)值電阻導(dǎo)致的總誤差可降至幾個百分點(diǎn)以下。然而,應(yīng)通過等式1來重新計算U1A運(yùn)算放大器在100 Ω和212.05 Ω輸入下的輸出,以確保維持所需裕量。在實(shí)際電路中,選擇最接近現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的電阻值。電阻Rl、R2、R8和R9為0.1%、25 ppm/°C。電路中的其他電阻為1%、100 ppm/°C:R3、R4、R5、R6和R12。
這類電路的絕對精度主要取決于電阻,因此,需要進(jìn)行增益和失調(diào)校準(zhǔn),以消除因替代標(biāo)準(zhǔn)值電阻和電阻容差導(dǎo)致的誤差。
電阻溫度系數(shù)對總誤差的影響
公式1表明,輸出電壓與以下九個電阻相關(guān):R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R9和R12。
236 ppm/°C的滿量程漂移對應(yīng)于0.024% FSR/°C。若溫度發(fā)生±10°C變化,則誤差為±0.24% FSR。
若全部九個電阻均采用25 ppm/°C電阻,則可降低滿量程漂移至大約80 ppm/°C(或者0.008% FSR/°C)。
完成校準(zhǔn)過程后,電阻容差導(dǎo)致的誤差、AD8608運(yùn)算放大器(75 µV)以及ADC AD7091R產(chǎn)生的失調(diào)均被消除。依然有必要計算并驗證運(yùn)算放大器輸出在所需的范圍內(nèi)。
有源元件溫度系數(shù)對總誤差的影響
AD8608運(yùn)算放大器(75 µV)和AD7091R ADC的直流失調(diào)由校準(zhǔn)程序消除。
ADC AD7091R內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源的失調(diào)漂移典型值為4.5 ppm/°C,最大值為25 ppm/°C。
AD8608運(yùn)算放大器的失調(diào)漂移典型值為1 μV/°C,最大值為4.5 μV/°C。
請注意,如果采用50 ppm/°C或100 ppm/°C電阻,則總漂移的最大來源是電阻漂移,有源元件產(chǎn)生的漂移可忽略。
引腳線路電阻補(bǔ)償
圖1中的電路可針對引腳線路電阻(r1、r2和r3)進(jìn)行完全補(bǔ)償。然而,若等式3有任何失配,則引腳線路r1和r2會對測量產(chǎn)生誤差。第三個引腳線路r3不會對電路產(chǎn)生影響,因為它與U1D的高阻抗輸入相連。
電路的線性度不受引腳線路r1和r2的影響,哪怕等式3有失配。
RTD線性化
圖1中的電路就RTD的電阻變化而言是線性的。然而,RTD傳遞函數(shù)(電阻與溫度的關(guān)系)是非線性的。因此,需要進(jìn)行線性化,以消除RTD的非線性誤差。對于涉及到微控制器的系統(tǒng)而言,通常采用軟件來完成線性化。AN-709應(yīng)用筆記討論了有關(guān)Pt100 RTD傳感器的部分線性化技術(shù)。CN0337評估軟件中采用了同樣的技術(shù)來消除Pt100傳感器的非線性誤差。
PCB布局考慮
在任何注重精度的電路中,必須仔細(xì)考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。該系統(tǒng)的PCB采用簡單的雙層板堆疊而成,但采用4層板可以得到更好的EMS性能。有關(guān)布局和接地的詳細(xì)論述,請參見MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息,請參見MT-101指南。AD8608的電源應(yīng)當(dāng)用10 μF和0.1 μF電容去耦,以適當(dāng)抑制噪聲并減小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)器件,0.1 μF電容應(yīng)具有低ESR值。對于所有高頻去耦,建議使用陶瓷電容。電源走線必須盡可能寬,以提供低阻抗路徑,并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。ADuM5401 isoPower集成式DC/DC轉(zhuǎn)換器要求在輸入和輸出電源引腳上進(jìn)行電源旁路。請注意,引腳1與引腳2以及引腳15和引腳16之間需要低ESR旁路電容,這些電容應(yīng)盡可能靠近芯片焊盤。為了抑制噪聲并降低紋波,至少需要并聯(lián)兩個電容。針對VDD1和VISO,推薦的電容值是0.1 μF和10 μF。較小的電容必須具有低ESR,建議使用陶瓷電容。低ESR電容末端到輸入電源引腳的走線總長不得超過2 mm。如果旁路電容的走線長度超過2 mm,可能會破壞數(shù)據(jù)??紤]在引腳1與引腳8及引腳9與引腳16之間實(shí)現(xiàn)旁路,除非兩個公共地引腳靠近封裝連在一起。更多信息請參考ADuM5401數(shù)據(jù)手冊。
有關(guān)完整文檔包,包括原理圖、電路板布局和物料清單(BOM),請參考:www.analog.com/CN0337-DesignSupport
高電壓能力
這款PCB依據(jù)2500 V基本絕緣規(guī)范而設(shè)計。不建議進(jìn)行2500 V以上的高電壓測試。在高電壓下使用該評估板時必須謹(jǐn)慎,而且不得依賴該P(yáng)CB來實(shí)現(xiàn)安全功能,因為它未經(jīng)過高電位測試(也稱為高壓測試或耐壓絕緣測試),也未通過安全認(rèn)證。
常見變化
經(jīng)驗證,采用圖中所示的元件值,該電路能夠穩(wěn)定地工作,并具有良好的精度??稍谠撆渲弥胁捎闷渌苓\(yùn)算放大器和其他ADC,以將電阻偏差輸入范圍轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出,用于本電路的各種其他應(yīng)用中。
可依據(jù)“電路設(shè)計”部分的建議,針對0°C至300oC范圍以外的輸入溫度重新設(shè)計圖1中的電路。表1顯示使用Pt100 RTD傳感器時,部分標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍的計算結(jié)果。
表1. 常見溫度范圍的電阻值1
AD7091與AD7091R類似,但沒有基準(zhǔn)電壓輸出,而且輸入范圍等于電源電壓。AD7091可與2.5 V ADR391基準(zhǔn)電壓源配合使用。ADR391不需要緩沖。
ADR391是一款精密2.5 V帶隙基準(zhǔn)電壓源,具有低功耗、高精度(溫度漂移為9 ppm/°C)等特性,采用微型TSOT封裝。
AD8605和AD8606分別是四通道AD8608的單通道和雙通道版本,可按不同配置的需要代替AD8608使用。
AD8601、AD8602和AD8604分別為單通道、雙通道和四通道軌到軌、輸入和輸出、單電源放大器,具有超低失調(diào)電壓和寬信號帶寬等特性,可以替代AD8605、AD8606和AD8608。
AD7457是一款12位、100 kSPS、低功耗SAR ADC,在不需要300 kSPS吞吐速率的情況下,可以與ADR391基準(zhǔn)電壓源相配合,用于代替AD7091R。
電路評估與測試
本電路采用EVAL-CN0337-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP)評估板。轉(zhuǎn)接板SDP- PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引腳對接連接器。轉(zhuǎn)接板和EVAL-CN0337-PMDZ板采用12引腳Pmod對接連接器,可快速進(jìn)行設(shè)置和評估電路性能。EVAL-CN0337-PMDZ板包含待評估電路,如本筆記所述。SDP評估板與CN0337評估軟件一起使用,可從EVAL-CN0337-PMDZ電路板獲取數(shù)據(jù)。
設(shè)備要求
• 帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7/8(64位或32位)PC
• EVAL-CN0337-PMDZ電路評估板
• EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板
• SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板
• CN0337評估軟件
• 十倍頻程精密電阻箱或Pt100傳感器(若無電阻箱,可執(zhí)行校準(zhǔn)過程)
開始使用
將CN0337評估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動器,加載評估軟件。也可以從CN0337評估軟件中下載最新版的評估軟件。打開“My Computer”,找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器,打開setup.exe文件。按照屏幕提示完成安裝。建議將所有軟件安裝在默認(rèn)位置。
功能框圖
圖4顯示測試設(shè)置的功能框圖。
設(shè)置
1. 通過直流管式插孔將EVAL-CFTL-6V-PWRZ(+6 V直流電源)連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板。
2. 通過120引腳連接器A將SDP-PMD-IB1Z(轉(zhuǎn)接板)連接到EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)。
3. 通過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)連接到PC。
4. 通過12引腳接頭Pmod連接器將EVAL-CN0337-PMDZ評估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板。
5. 通過端子板J2將十倍頻程電阻箱(Pt100傳感器)連接到EVAL-CN0337-PMDZ評估板。
測試
啟動評估軟件。如果“設(shè)備管理器”中出現(xiàn)“Analog Devices System Development Platform(ADI系統(tǒng)開發(fā)平臺)”驅(qū)動器,軟件便能與SDP板通信。一旦USB通信建立,就可以使用SDP板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0337- PMDZ板的串行數(shù)據(jù)。可將輸入溫度值(電阻值)等各種數(shù)據(jù)保存到電腦中。有關(guān)如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息,請參閱CN0337軟件用戶指南。
圖4. 測試設(shè)置功能框圖
圖5. EVAL-CN0337-PMDZ評估板照片
了解詳情
CN0337設(shè)計支持包:http://www.analog.com/CN0337-DesignSupport
AN-709應(yīng)用筆記:使用ADuC8xx MicroConverter實(shí)現(xiàn)RTD接口和線性化,ADI公司。
Baoxing Chen、John Wynne和Ronn Kliger,采用微型片內(nèi)變壓器的高速數(shù)字隔離器,ADI公司,2003年
Baoxing Chen,采用isoPower™技術(shù)的iCoupler®產(chǎn)品:利用微變壓器跨越隔離柵實(shí)現(xiàn)信號和功率傳輸,ADI公司,2006年
Rich Ghiorse,應(yīng)用筆記AN-825:iCoupler®隔離產(chǎn)品的電源考慮因素,ADI公司。
David Krakauer,數(shù)字隔離提供緊湊的低成本解決方案,積極應(yīng)對設(shè)計挑戰(zhàn),模擬對話,第40卷,2006年12月
指南MT-031:實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán),ADI公司。
指南MT-101:去耦技術(shù),ADI公司
Scott Wayne,iCoupler®數(shù)字隔離器保護(hù)工業(yè)、儀器儀表和計算機(jī)應(yīng)用中的RS-232、RS-485和CAN總線,模擬對話,第39卷第4期,2005年
數(shù)據(jù)手冊和評估板
AD8608數(shù)據(jù)手冊
AD7091R數(shù)據(jù)手冊
ADuM5401數(shù)據(jù)手冊
修訂歷史
2014年3月—修訂版0:初始版