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[導(dǎo)讀]本文介紹常用的3線和4線電阻溫度檢測器(RTD),以及傳感器與ADC接口所需的電路,并說明對ADC的性能要求。RTDRTD適合測量–200°C至+800°C的溫度,在該溫度范圍內(nèi),這些器件的響應(yīng)接近線性。RTD使用的典

 

本文介紹常用的3線和4線電阻溫度檢測器(RTD),以及傳感器與ADC接口所需的電路,并說明對ADC的性能要求。

 

RTD

 

RTD適合測量–200°C至+800°C的溫度,在該溫度范圍內(nèi),這些器件的響應(yīng)接近線性。RTD使用的典型元素有鎳、銅和鉑,100 Ω和1000 Ω鉑制RTD最為常見。RTD有2線、3線或4線形式,其中3線和4線形式最為常用。RTD是無源傳感器,需要一個激勵電流來產(chǎn)生輸出電壓。RTD的輸出電平從數(shù)十毫伏到數(shù)百毫伏不等,取決于所選的RTD。

 

3線RTD接口和構(gòu)建模塊

 

圖1顯示了一個3線RTD系統(tǒng)。 AD7124-4/AD7124-8包括該系統(tǒng)所需的全部構(gòu)建模塊。為了全面優(yōu)化該系統(tǒng),需要2個完美匹配的電流源。這兩個電流源用于抵消RTD的RL1和RL2產(chǎn)生的引線電阻誤差。一個激勵電流流過精密基準電阻RREF和RTD。另一個電流流過引線電阻RL2,所產(chǎn)生的電壓與RL1上的壓降相抵消。精密基準電阻上產(chǎn)生的電壓用作ADC的基準電壓REFIN1(±)。由于僅利用一個激勵電流來產(chǎn)生基準電壓和RTD上的電壓,因此,該電流源的精度、失配和失配漂移對ADC整體傳遞函數(shù)的影響極小。AD7124-4/AD7124-8允許用戶選擇激勵電流值,從而調(diào)整系統(tǒng)以使用ADC的大部分輸入范圍,提高性能。

 

圖1. 3線RTD溫度測量系統(tǒng)

 

RTD的低電平輸出電壓需要放大,以便利用ADC的大部分輸入范圍。AD7124-4/AD7124-8的PGA可以設(shè)置1到128的增益,允許用戶在激勵電流值和增益與性能之間進行取舍。出于抗混疊和EMC目的,傳感器與ADC之間需要濾波。基準電壓緩沖器支持無限的濾波器R、C元件值,這些元件不會影響測量精度。

 

系統(tǒng)還需要校準以消除增益和失調(diào)誤差。圖2顯示了此3線B級RTD在執(zhí)行內(nèi)部零電平和滿量程校準后的實測溫度誤差,總誤差遠小于±1°C。

 

圖2. 3線RTD溫度測量系統(tǒng)

 

將精密基準電壓放在RTD高端的配置非常適合采用單個RTD的系統(tǒng)。需要多個RTD時,精密基準電阻應(yīng)放在低端,以便所有RTD傳感器共用該基準電阻。針對這種方案,激勵電流的匹配和匹配漂移性能必須更好。有兩種技術(shù)可用來降低激勵電流源失配引起的誤差:

 

1.利用AD7124-4/AD7124-8的交叉多路復(fù)用器功能、精密基準電阻和ADC的內(nèi)部低漂移基準電壓源,測量這兩個電流。

 

2.執(zhí)行系統(tǒng)斬波,這些電流交換到RTD的不同端,將兩個結(jié)果的平均值用于溫度的整體計算。

 

4線RTD接口和構(gòu)建模塊

 

4線RTD測量只需要一個激勵電流源。圖3顯示了一個4線RTD系統(tǒng)。像3線RTD系統(tǒng)一樣,所用的基準輸入為REFIN1(±),基準電壓緩沖器使能,以支持不受限制的抗混疊或EMC濾波。流經(jīng)RTD的電流也會流過精密基準電阻RREF,其用于產(chǎn)生ADC的基準電壓。這種配置導(dǎo)致基準電壓與RTD上產(chǎn)生的電壓之間呈比例關(guān)系。比率式配置確保激勵電流值的波動不會影響系統(tǒng)總體精度。圖4顯示了一個4線B級RTD在執(zhí)行內(nèi)部零電平和滿量程校準后的實測RTD溫度誤差。與3線配置類似,記錄到的總誤差遠小于±1°C。

 

圖3. 4線RTD溫度測量系統(tǒng)

 

圖4. 4線RTD溫度測量系統(tǒng)

 

ADC要求

 

溫度測量系統(tǒng)以低速測量為主(最高速度通常是每秒100次采樣)。因此,這種系統(tǒng)需要低帶寬ADC,但ADC必須有高分辨率。Σ-Δ型ADC適合此類應(yīng)用,因為利用Σ-Δ結(jié)構(gòu)能夠開發(fā)出低帶寬、高分辨率ADC。

 

采用Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器時,對模擬輸入連續(xù)采樣,采樣頻率比目標頻段高很多。它還使用噪聲整形,將噪聲推到目標頻段之外,進入轉(zhuǎn)換過程未使用的區(qū)域,從而進一步降低目標頻段內(nèi)的噪聲。數(shù)字濾波器會衰減任何處在目標頻段之外的信號。

 

數(shù)字濾波器在采樣頻率和采樣頻率的倍數(shù)處有鏡像,因此,需要一些外部抗混疊濾波器。然而,由于過采樣,簡單的一階RC濾波器即足以滿足大部分應(yīng)用的要求。Σ-Δ架構(gòu)允許24位ADC實現(xiàn)最高達21.7位的峰峰值分辨率(21.7個穩(wěn)定或無閃爍位)。

 

濾波(50 Hz/60 Hz抑制)

 

除了如上所述的抑制噪聲以外,數(shù)字濾波器還用于提供50 Hz/60 Hz抑制。系統(tǒng)采用主電源供電時,會發(fā)生50 Hz或60 Hz干擾。主電源會產(chǎn)生50 Hz及其倍數(shù)(歐洲)和60 Hz及其倍數(shù)(美國)的噪聲。低帶寬ADC主要使用sinc濾波器,可將其陷波頻率設(shè)置在50 Hz和/或60 Hz及其倍數(shù)處,從而提供50 Hz/60 Hz及其倍數(shù)的抑制。現(xiàn)在越來越多地要求利用建立時間較短的濾波方法提供50 Hz/60 Hz抑制。在多通道系統(tǒng)中,ADC順次處理所有使能的通道,在每個通道上產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果。選擇一個通道后,便需要濾波器建立時間以產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)換結(jié)果。若縮短建立時間,則可提高給定時間內(nèi)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)。AD7124-4/AD7124-8的后置濾波器或FIR濾波器可提供50 Hz/60 Hz同時抑制,并且其建立時間比sinc3或sinc4濾波器要短。圖5顯示了一個數(shù)字濾波器選項,此后置濾波器的建立時間為41.53 ms,并且提供62 dB的50 Hz/60 Hz同時抑制。

 

圖5. 后置濾波器頻率響應(yīng);25 sps,a) DC至600 Hz,b) 40 Hz至70 Hz

 

其它ADC要求

功耗

系統(tǒng)的功耗取決于最終應(yīng)用。一些工業(yè)應(yīng)用中,例如工廠中的溫度監(jiān)控,包括傳感器、ADC和微控制器在內(nèi)的整個溫度系統(tǒng)都位于一塊采用4 mA至20 mA環(huán)路供電的獨立電路板上。因此,獨立電路板的電流預(yù)算最大值為4 mA。在便攜式設(shè)備中,例如用于分析礦山中存在哪些氣體的氣體分析儀,溫度測量必須與氣體分析一同進行。這些系統(tǒng)采用電池供電,其設(shè)計目標是要使電池的使用壽命最長。這些應(yīng)用中,低功耗至關(guān)重要,同時仍然要求高性能。在過程控制應(yīng)用中,允許系統(tǒng)消耗更多的電流。對于此類應(yīng)用,設(shè)計要求可能是在一定時間內(nèi)處理更多的通道,同時仍要達到某一性能水平。AD7124-4/AD7124-8包含三種功耗模式,用戶可通過一個寄存器中的2位來選擇。所選的功耗模式?jīng)Q定輸出數(shù)據(jù)速率的范圍以及片內(nèi)模擬模塊消耗的電流。因此,對于環(huán)路供電或電池供電系統(tǒng),該器件可工作在中功耗或低功耗模式下。在過程控制系統(tǒng)中,該器件可工作在全功率模式下,通過消耗更多的電流來提高性能。

 

診斷

 

診斷在工業(yè)應(yīng)用中日益重要。典型的診斷要求包括:

 

  • 電源/基準電壓/模擬輸入監(jiān)控

  • 開路檢測

  • 轉(zhuǎn)換/校準檢查

  • 信號鏈功能檢查

  • 讀/寫監(jiān)控

  • 寄存器內(nèi)容監(jiān)控

 

對于設(shè)計用于故障安全應(yīng)用的系統(tǒng),片內(nèi)診斷功能可節(jié)省客戶的設(shè)計時間、外部元件、電路板空間和成本。AD7124-4/AD7124-8等器件便包括上述診斷特性。根據(jù)IEC 61508,使用該器件的典型溫度應(yīng)用的失效模式影響和診斷分析(FMEDA)表明安全失效比例(SFF)大于90%。一般需要兩個傳統(tǒng)ADC才能達到這一水平。

 

結(jié)論

 

溫度測量系統(tǒng)對ADC和系統(tǒng)的要求非??量獭_@些傳感器產(chǎn)生的模擬信號很弱,必須用增益級予以放大,同時增益級的噪聲必須非常低,確保其不會淹沒傳感器的信號。放大器之后需接一個高分辨率ADC,以將傳感器的低電平信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。采用Σ-Δ架構(gòu)的ADC適合此類應(yīng)用,因為利用這種結(jié)構(gòu)能夠開發(fā)出高分辨率、高精度ADC。除了ADC和增益級之外,溫度測量系統(tǒng)還需要其它元件,如激勵電流和基準電壓緩沖器等。最后,最終應(yīng)用決定系統(tǒng)可以消耗的電流預(yù)算。便攜式或環(huán)路供電系統(tǒng)必須使用低功耗器件,加上針對故障安全系統(tǒng)的冗余,每個器件的功耗裕量會進一步降低。輸入模塊等系統(tǒng)需要在更高吞吐速率下達到某一性能水平,導(dǎo)致通道密度增加。使用具有多種功耗模式的器件可以減輕用戶的負擔(dān),因為一個ADC可以用于多種終端系統(tǒng),從而縮短設(shè)計時間。

 

 

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