測(cè)量多種溫度傳感器及數(shù)字方式輸出應(yīng)用方案

多傳感器高準(zhǔn)確度數(shù)字溫度測(cè)量系統(tǒng) LTC2983，可測(cè)量多種溫度傳感器并以數(shù)字方式輸出結(jié)果 (采用 ºC 或 ºF 為單位)，具有 0.1ºC 的準(zhǔn)確度和 0.001ºC 的分辨率。今天我們要講的是 LTC2983 為何能夠測(cè)量 18 個(gè)兩線式 RTD?

單個(gè) LTC2983 溫度測(cè)量器件能支持多達(dá) 18個(gè)兩線式RTD探頭(如圖 1 所示)。每個(gè) RTD 測(cè)量包含同時(shí)檢測(cè)由于電流 IS 而在 RSENSE 和 RTD 探頭RTDx 兩端所產(chǎn)生的兩個(gè)電壓。對(duì)每個(gè)電壓進(jìn)行差分檢測(cè)，而且鑒于 LTC2983 擁有高共模抑制比，因此堆棧中 RTD 的數(shù)量并不會(huì)對(duì)個(gè)別測(cè)量產(chǎn)生不利影響。

圖1 LTC2983 可支持 18 個(gè) RTD 傳感器

RTD 探頭的選擇取決于系統(tǒng)準(zhǔn)確度和靈敏度要求。例如，假設(shè)使用的是兩線式探頭，則可以證明在存在配線寄生電阻的情況下 PT-1000 更加堅(jiān)固。

一旦選定了 RTD，則應(yīng)選擇合適的 IS 和 RSENSE 以使電阻器堆棧頂端的電壓(CH1輸入端上的V)在系統(tǒng)的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)不超過(guò) LTC2983 的輸入共模限值。該要求表達(dá)為：

考慮圖 1 所示的系統(tǒng)并假設(shè)下面限制條件：5V 電源軌、所有的 RTD 探頭均為 PT-100 和最大預(yù)期溫度測(cè)量在 150℃。表 1 列出了用于每個(gè) PT-100 探頭的通道分配字。其中，在該例中 CH3 檢測(cè) RTD1 探頭，CH4 檢測(cè) RTD2?等。連接至 CH2 的電阻器按表 2 所示進(jìn)行配置。

表 1. CH2 至 CH20RTD 通道分配字

表 2.檢測(cè)電阻器通道配置字

RTD堆棧穩(wěn)定時(shí)間

一旦激勵(lì)電流源啟用，則 R 和 C 鏈路需要一段有限的時(shí)間以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。這就是穩(wěn)定時(shí)間 tS。tS取決于每個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)上個(gè)別電阻器(RSENSE 和 RTD)和電容器的數(shù)量和數(shù)值。tS 的上限可通過(guò)總 RC 的集總來(lái)估測(cè)，但是這樣做會(huì)得出過(guò)于悲觀的結(jié)果。另一種獲得 tS 的方法是簡(jiǎn)單地仿真一個(gè)電路，如圖 2 所示。

圖2 RTD堆棧的延遲線模型

仿真的結(jié)果如圖3。這里，所有的電容器均選為 100 nF，而RSENSE 為1 kΩ。每根線代表穩(wěn)定至堆棧中最后一個(gè) RTD 兩端電壓之終值的 0.1% 以?xún)?nèi)所需的穩(wěn)定時(shí)間tS 。對(duì)于每幅曲線圖，所有的 RTD 均為同一類(lèi)型。

圖3 RTD堆棧的仿真穩(wěn)定時(shí)間

按照默認(rèn)設(shè)置，LTC2983 在激勵(lì)電流源的啟用和ADC轉(zhuǎn)換的起始點(diǎn)之間插入一個(gè)延遲時(shí)間 tDELAY =1 ms。然而，當(dāng) RTD 堆棧中的 PT-100 探頭數(shù)量多于 2 個(gè)時(shí)，這個(gè)延遲時(shí)間就不夠了(見(jiàn)圖 3)。

tDELAY 可通過(guò)設(shè)定 MUX 配置寄存器 0x0FF 中的值來(lái)增加。按照默認(rèn)設(shè)置，該寄存器是清零的。寄存器值每增加一個(gè) LSB 代表默認(rèn) tDELAY 增加 100μs。例如，把 0x10 寫(xiě)入 0x0FF 寄存器產(chǎn)生的結(jié)果是：

需注意的是，該可編程延遲的最大值為 26.5 ms，這對(duì)于最多 6 個(gè) PT-1000 器件的穩(wěn)定來(lái)說(shuō)是足夠了(假設(shè) C=100 nF)。如圖 3 和圖 4 所示。

圖4 RTD堆棧的總轉(zhuǎn)換時(shí)間

tDELAY 在每個(gè)個(gè)別ADC周期之前插入。每個(gè) RTD 測(cè)量包括兩個(gè) ADC 周期。于是，RTD 堆棧的總轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為：

式中的t DELAY 可由用戶(hù)設(shè)置，tCONV在產(chǎn)品手冊(cè)的“CompleteSystemElectricalCharacteristics”(完整的系統(tǒng)電特性)表中給出，其通常為 164 ms(包括默認(rèn)的 MUX 延遲)，N 是將要測(cè)量的 RTD 數(shù)量。tTOTAL 如圖4 所示。

結(jié)論

LTC2983 能夠連接至最多 18 個(gè)兩線式 RTD 探頭，但是一定要把由 RC 系統(tǒng)引起的穩(wěn)定延遲考慮在內(nèi)。這個(gè)問(wèn)題可能會(huì)因?yàn)樗肦TD探頭的數(shù)量和類(lèi)型而加劇。延遲問(wèn)題可以運(yùn)用本文提出的模型和仿真進(jìn)行考察。