如何選擇和設(shè)計(jì)最佳的RTD溫度傳感系統(tǒng)

作者：Jellenie Rodriguez and Mary McCarthy

本文討論了設(shè)計(jì)基于電阻溫度檢測(cè)器（RTD）的溫度測(cè)量系統(tǒng)的歷史和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。它還涵蓋了RTD選擇和配置權(quán)衡。最后，詳細(xì)介紹了RTD系統(tǒng)的優(yōu)化和評(píng)估。

為什么RTD溫度測(cè)量很重要？

溫度測(cè)量在許多不同的終端應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、CbM 和醫(yī)療設(shè)備。無論是監(jiān)測(cè)環(huán)境條件還是校正系統(tǒng)漂移性能，高精度和精密度都非常重要?？梢允褂脦追N類型的溫度傳感器，例如熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器 （RTD）、電子帶隙傳感器和熱敏電阻。與設(shè)計(jì)一起選擇的溫度傳感器取決于被測(cè)溫度范圍和所需的精度。對(duì)于 –200°C 至 +850°C 范圍內(nèi)的溫度，RTD 提供了高精度和良好穩(wěn)定性的出色組合。

溫度測(cè)量面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？

挑戰(zhàn)包括

電流和電壓選擇。RTD傳感器是一種無源器件，不會(huì)自行產(chǎn)生電輸出。激勵(lì)電流或電壓用于通過小電流通過傳感器以產(chǎn)生電壓來測(cè)量傳感器的電阻。如何選擇電流/電壓？

2 線、3 線或 4 線是我設(shè)計(jì)的最佳選擇嗎？

RTD信號(hào)應(yīng)該如何調(diào)理？

如何調(diào)整上述變量，以便轉(zhuǎn)換器或其他構(gòu)建塊在其規(guī)范范圍內(nèi)使用？

連接系統(tǒng)中的多個(gè) RTD——傳感器是如何連接的？某些塊可以在不同的傳感器之間共享嗎？對(duì)整體系統(tǒng)性能有何影響？

我的設(shè)計(jì)的預(yù)期誤差是多少？

RTD 選擇指南

即熱電阻概述

對(duì)于RTD，傳感器的電阻以精確定義的方式隨溫度變化。使用最廣泛的RTD是鉑Pt100和Pt1000，它們有2線、3線和4線配置。其他RTD類型由鎳和銅制成。

最常見的 Pt100 RTD 可以采用兩種不同的形狀：繞線和薄膜。每種類型都按照幾種標(biāo)準(zhǔn)化曲線和公差構(gòu)建。最常見的標(biāo)準(zhǔn)化曲線是DIN曲線。DIN代表“德國標(biāo)準(zhǔn)化研究所”，意思是“德國標(biāo)準(zhǔn)化研究所”。該曲線定義了鉑 100 Ω?jìng)鞲衅鞯碾娮枧c溫度特性、標(biāo)準(zhǔn)化公差和工作溫度范圍。這定義了RTD的精度，從0°C溫度下100 Ω的基極電阻開始。 DIN RTD 有不同的標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)。這些容差如表2所示，它們也適用于低功耗應(yīng)用中有用的Pt1000 RTD。

在選擇RTD傳感器時(shí)，必須同時(shí)考慮RTD本身及其精度。溫度范圍因元件類型而異，校準(zhǔn)溫度（通常在0°C）下表示的精度隨溫度而變化。因此，重要的是要定義被測(cè)量的溫度范圍，并考慮到任何低于或高于校準(zhǔn)溫度的溫度都將具有更寬的公差和更低的精度。

RTD 按其在 0°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻進(jìn)行分類。 Pt100 傳感器的溫度系數(shù)約為 0.385 Ω/°C，Pt1000 的溫度系數(shù)比 Pt100 大 10 倍。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用這些系數(shù)來獲得近似的溫度平移電阻，但Callendar-Van Dusen方程提供了更準(zhǔn)確的平移。

溫度 t ≤ 0°C 的方程為

溫度 t ≥ 0°C 的方程為

哪里：

t 是 RTD 溫度 （°C）

R即熱處理（t） 是溫度下的 RTD 電阻 （t）

R0是 0°C 時(shí)的 RTD 電阻（在本例中為 R0= 100 Ω） A = 3.9083 × 10?3

B = ?5.775 × 10?7

C = ?4.183 × 10?12

RTD 接線配置

選擇RTD時(shí)需要考慮的另一個(gè)傳感器參數(shù)是其接線配置，這將影響系統(tǒng)精度。市場(chǎng)上有三種不同的RTD接線配置，其中每種配置都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并且可能需要不同的技術(shù)來減少測(cè)量誤差。

2線配置是最簡(jiǎn)單但精度最低的配置，因?yàn)橐€電阻誤差及其隨溫度的變化會(huì)導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差。因此，這種配置僅在引線短路或使用高電阻傳感器（例如Pt1000）的應(yīng)用中有用，這兩種應(yīng)用都可以最大限度地減少引線電阻對(duì)精度的影響。

3 線是最常用的配置，因?yàn)槭褂萌齻€(gè)引腳的優(yōu)點(diǎn)，這在連接器尺寸最小化的設(shè)計(jì)中非常有用（需要三個(gè)連接端子，而 4 線 RTD 需要 4 線端子）。與2線配置相比，3線的精度也有顯著提高。3線制中的引線電阻誤差可以使用不同的校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，本文稍后將介紹這些技術(shù)。

4線是最昂貴但最精確的配置。在這種配置中，消除了引線電阻引起的誤差以及溫度變化效應(yīng)。因此，4線配置可實(shí)現(xiàn)最佳性能。

RTD配置電路

高精度和準(zhǔn)確的RTD傳感器測(cè)量需要精確的信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和校準(zhǔn)。RTD 測(cè)量系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)由不同的階段組成，如圖 2 所示。雖然信號(hào)鏈看起來簡(jiǎn)單明了，但涉及幾個(gè)復(fù)雜的因素，設(shè)計(jì)人員必須考慮復(fù)雜的元件選擇、連接圖、誤差分析和其他模擬信號(hào)調(diào)理挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)會(huì)影響整體系統(tǒng)板尺寸和物料清單（BOM）的成本，因?yàn)樨暙I(xiàn)模塊的數(shù)量更多。從好的方面來說，ADI的產(chǎn)品組合中提供了大量集成解決方案。這種完整的系統(tǒng)解決方案可幫助設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)減小電路板尺寸、縮短上市時(shí)間并降低整個(gè)RTD測(cè)量系統(tǒng)的成本。

圖1.RTD 接線配置。

圖2.典型的RTD測(cè)量信號(hào)鏈模塊。

三種RTD接線配置具有將RTD與其他外部元件連接或連接到ADC所需的不同接線技術(shù)，以及ADC的要求，例如激勵(lì)電流和靈活的多路復(fù)用器。本節(jié)將更深入地了解并重點(diǎn)介紹每種RTD配置電路的設(shè)計(jì)和考慮因素。

Σ-Δ型ADC

Σ-Δ型ADC在設(shè)計(jì)RTD系統(tǒng)時(shí)具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，由于Σ-Δ型ADC對(duì)模擬輸入進(jìn)行過采樣，因此外部濾波被最小化，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器。它們?cè)谶x擇濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率方面提供了靈活性。內(nèi)置數(shù)字濾波可用于抑制市電供電設(shè)計(jì)中來自主電源的任何干擾。AD7124-4/AD7124-8等24位高分辨率ADC的峰峰值分辨率最大為21.7位。其他好處是

模擬輸入的寬共模范圍

基準(zhǔn)輸入的寬共模范圍

能夠支持比率配置

緩沖基準(zhǔn)和模擬輸入

一些Σ-Δ型ADC高度集成，包括

可編程增益放大器 （PGA）

勵(lì)磁電流

基準(zhǔn)/模擬輸入緩沖器

校準(zhǔn)功能

它們顯著簡(jiǎn)化了RTD設(shè)計(jì)，同時(shí)降低了BOM、系統(tǒng)成本、電路板空間和上市時(shí)間。

本文使用AD7124-4/AD7124-8作為ADC。這些是低噪聲、低電流精密ADC，集成PGA、激勵(lì)電流、模擬輸入和基準(zhǔn)電壓緩沖器。

比率測(cè)量

比率式配置是使用電阻傳感器（如RTD或熱敏電阻）的系統(tǒng)的理想且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。采用比率法時(shí)，基準(zhǔn)電壓和傳感器電壓來自同一激勵(lì)源。因此，激勵(lì)源不需要精確。圖3顯示了4線RTD應(yīng)用中的比例配置示例。恒定激勵(lì)電流為 RTD 和精密電阻 R 供電裁判，在 R 兩端產(chǎn)生的電壓裁判作為RTD測(cè)量的參考電壓。激勵(lì)電流的任何變化都不會(huì)影響測(cè)量精度。因此，使用比率法允許使用噪聲更大、更不穩(wěn)定的激勵(lì)電流。激勵(lì)電流優(yōu)于電壓激勵(lì)，因?yàn)樗哂懈玫目乖胄?。本文稍后將討論選擇激勵(lì)源值時(shí)要考慮的主要因素。

圖3.4線RTD比率測(cè)量。

共享 IOUT/AIN 引腳

許多RTD系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用集成多路復(fù)用器和激勵(lì)電流的Σ-Δ型ADC，允許多通道測(cè)量，并靈活地將激勵(lì)電流路由到每個(gè)傳感器。AD7124等ADC允許單個(gè)引腳同時(shí)用作激勵(lì)電流和模擬輸入引腳（見圖4）。IOUT和AIN之間共享引腳只需要每個(gè)3線RTD傳感器兩個(gè)引腳，這會(huì)增加通道數(shù)。但是，在這種配置中，抗混疊或電磁干擾（EMI）濾波中電阻R的值較大，可能會(huì)增加RTD電阻值的誤差，因?yàn)镽與RTD串聯(lián)，因此可以使用有限的R值。這就是為什么通常建議為每個(gè)激勵(lì)電流源使用專用引腳，以避免RTD測(cè)量中可能出現(xiàn)的誤差。

圖4.3線RTD，具有共享IOUT/AIN引腳。

4線RTD連接圖

4線RTD配置可提供最佳性能。與其他兩種配置相比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的唯一問題是傳感器本身的成本和 4 針連接器的尺寸。在這種配置中，引線引起的誤差本質(zhì)上由返回線消除。4線配置使用開爾文檢測(cè)和兩根導(dǎo)線將激勵(lì)電流傳入和傳出RTD，而其余兩根導(dǎo)線檢測(cè)RTD元件本身的電流。由于引線電阻引起的誤差本質(zhì)上是可以消除的。4線配置只需要一個(gè)激勵(lì)電流IOUT，如圖5所示。ADC的三個(gè)模擬引腳用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)4線RTD配置：一個(gè)引腳用于激勵(lì)電流IOUT，兩個(gè)引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM），用于檢測(cè)RTD兩端的電壓。

當(dāng)設(shè)計(jì)使用多個(gè)4線RTD時(shí)，可以使用單個(gè)激勵(lì)電流源，激勵(lì)電流被引導(dǎo)至系統(tǒng)中的不同RTD。通過將基準(zhǔn)電阻放在RTD的低端，單個(gè)基準(zhǔn)電阻可以支持所有RTD測(cè)量;也就是說，基準(zhǔn)電阻由所有RTD共享。 請(qǐng)注意，如果ADC的基準(zhǔn)電壓輸入具有寬共模范圍，則基準(zhǔn)電阻可以放置在高端或低端。因此，對(duì)于單個(gè)4線RTD，可以使用高端或低壓側(cè)的基準(zhǔn)電阻。但是，當(dāng)在系統(tǒng)中使用多個(gè)4線RTD時(shí)，將基準(zhǔn)電阻放在低端是有利的，因?yàn)橐粋€(gè)基準(zhǔn)電阻可以由所有RTD共享。 注意，某些ADC包括基準(zhǔn)電壓緩沖器。這些緩沖器可能需要一些裕量，因此，如果緩沖器使能，則需要一個(gè)裕量電阻。使能緩沖器意味著可以將更可靠的濾波連接到基準(zhǔn)引腳，而不會(huì)在ADC內(nèi)引起增益誤差等誤差。

2線RTD連接圖

2線RTD配置是最簡(jiǎn)單的配置，如圖6所示。對(duì)于2線配置，只需要一個(gè)激勵(lì)電流源。因此，ADC的三個(gè)模擬引腳用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)2線RTD配置：一個(gè)引腳用于激勵(lì)電流IOUT，兩個(gè)引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM），用于檢測(cè)RTD兩端的電壓。當(dāng)設(shè)計(jì)使用多個(gè)2線RTD時(shí)，可以使用單個(gè)激勵(lì)電流源，激勵(lì)電流被引導(dǎo)至系統(tǒng)中的不同RTD。按照4線配置將基準(zhǔn)電阻放置在RTD的低端，單個(gè)基準(zhǔn)電阻可以支持所有RTD測(cè)量;也就是說，基準(zhǔn)電阻由所有RTD共享。

2線配置是三種不同接線配置中最不精確的，因?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)的實(shí)際電阻包括傳感器的電阻以及引線RL1和RL2的電阻，從而增加了ADC兩端的電壓測(cè)量值。如果傳感器是遠(yuǎn)程的并且系統(tǒng)使用很長(zhǎng)的電線，那么誤差將很大。例如，一根 25 AWG 銅線的 25 英尺長(zhǎng)的等效電阻為 0.026 Ω/英尺（0.08 Ω/米），× 2 × 25 英尺為 1.3 Ω。 因此，由于導(dǎo)線電阻，1.3 Ω 的導(dǎo)線電阻會(huì)產(chǎn)生 （1.3/0.385） = 3.38°C（大約）的誤差。導(dǎo)線電阻也隨溫度變化，這增加了額外的誤差。

圖5.單線和多路 4 線 RTD 模擬輸入配置測(cè)量。

3線RTD連接圖

使用3線RTD配置可以顯著改善2線RTD配置的引線電阻引起的顯著誤差。在本文中，我們使用第二個(gè)激勵(lì)電流（如圖7所示）來消除RL1和RL2產(chǎn)生的引線電阻誤差。因此，ADC的四個(gè)模擬引腳用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)3線RTD配置：兩個(gè)引腳用于激勵(lì)電流（IOUT0和IOUT1），兩個(gè)引腳作為全差分輸入通道（AINP和AINM），用于檢測(cè)RTD兩端的電壓。

圖6.單線和多線 2 線 RTD 模擬輸入配置測(cè)量。

圖7.單線和多線 3 線 RTD 模擬輸入配置測(cè)量。

有兩種方法可以配置3線RTD電路。方法1將基準(zhǔn)電阻放在頂部，使第一個(gè)激勵(lì)電流IOUT0流向R裁判，RL1 然后進(jìn)入 RTD，第二個(gè)電流流過 RL2 引線電阻并產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓抵消了 RL1 引線電阻兩端的電壓降。因此，匹配良好的激勵(lì)電流完全消除了引線電阻引起的誤差。如果激勵(lì)電流存在一些失配，則使用此配置可將失配的影響降至最低。相同的電流流向RTD和R裁判;因此，兩個(gè)IOUT之間的任何不匹配僅影響引線電阻的計(jì)算。在測(cè)量單個(gè)RTD時(shí)，此配置非常有用。

測(cè)量多個(gè)3線RTD時(shí)，建議在底部使用基準(zhǔn)電阻（方法2），以便僅使用單個(gè)基準(zhǔn)電阻，從而最大限度地降低總成本。然而，在這種配置中，一個(gè)電流流過RTD，而兩個(gè)電流都流過基準(zhǔn)電阻。因此，IOUT中的任何不匹配都會(huì)影響基準(zhǔn)電壓的值以及引線電阻的消除。當(dāng)存在激勵(lì)電流不匹配時(shí)，此配置的誤差將大于方法1。有兩種可能的方法可以校準(zhǔn)IOUT之間的失配和失配漂移，從而提高第二種配置的精度。首先是通過斬波（交換）激勵(lì)電流進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)每個(gè)相位進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)兩個(gè)測(cè)量值求平均值。另一種解決方案是自己測(cè)量實(shí)際激勵(lì)電流，然后使用計(jì)算出的失配來補(bǔ)償微控制器中的失配。有關(guān)這些校準(zhǔn)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見CN0383。

RTD 系統(tǒng)優(yōu)化

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的問題來看，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)一是前面幾節(jié)中討論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)置增益和選擇外部元件，同時(shí)確保系統(tǒng)優(yōu)化并在ADC規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行。最后，最關(guān)鍵的問題是如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能以及導(dǎo)致整體系統(tǒng)誤差的錯(cuò)誤源是什么。

幸運(yùn)的是，有一個(gè)新的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator，它提供了一個(gè)實(shí)踐解決方案，用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化RTD測(cè)量系統(tǒng)，從概念到原型設(shè)計(jì)。

該工具

能夠理解正確的配置、接線和電路圖

協(xié)助了解不同的誤差源，并允許設(shè)計(jì)優(yōu)化

該工具圍繞AD7124-4/AD7124-8設(shè)計(jì)。它允許客戶調(diào)整激勵(lì)電流、增益和外部元件等設(shè)置。它指示越界條件，以確保最終解決方案在ADC的規(guī)格范圍內(nèi)。

圖8.RTD 配置器。

選擇激勵(lì)電流、增益和外部元件

理想情況下，我們傾向于選擇更高幅度的激勵(lì)電流，以產(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，為了最大程度地減少自發(fā)熱，需要在兩次測(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)序影響。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發(fā)熱。時(shí)序現(xiàn)在已最小化，但設(shè)計(jì)人員需要確定系統(tǒng)性能是否受到影響。所有方案都可以通過RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator進(jìn)行測(cè)試。該工具允許用戶平衡激勵(lì)電流、增益和外部元件的選擇，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。

為了了解生成的過濾器配置文件或更深入地了解轉(zhuǎn)換的時(shí)間，VirtualEval 在線工具提供了此詳細(xì)信息。

Σ-Δ型ADC的ADC輸入和基準(zhǔn)輸入均由開關(guān)電容前端連續(xù)采樣。對(duì)于所討論的RTD系統(tǒng)，基準(zhǔn)輸入也由外部基準(zhǔn)電阻驅(qū)動(dòng)。建議在Σ-Δ型ADC的模擬輸入端使用外部RC濾波器，以實(shí)現(xiàn)抗混疊效果。出于EMC目的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在模擬輸入和基準(zhǔn)輸入上使用較大的R和C值。較大的RC值會(huì)導(dǎo)致測(cè)量中的增益誤差，因?yàn)榍岸穗娐窙]有足夠的時(shí)間在采樣時(shí)刻之間建立。緩沖模擬和基準(zhǔn)輸入可防止這些增益誤差，并允許使用無限的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)，模擬輸入緩沖器自動(dòng)使能，由于PGA位于輸入緩沖器的前面，由于PGA是軌到軌的，因此模擬輸入也是軌到軌的。但是，對(duì)于基準(zhǔn)電壓緩沖器，或者在使能模擬輸入緩沖器的情況下以增益為1的ADC使用ADC時(shí)，必須確保滿足正確操作所需的裕量。

來自 Pt100 的信號(hào)是低電平的。它們大約為數(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?；蛘?，在將信號(hào)施加到ADC之前，可以使用增益級(jí)來放大信號(hào)。AD7124-4/AD7124-8支持1至128的增益，因此支持針對(duì)寬激勵(lì)電流范圍的優(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)電流值是否可以與選定的 RTD 傳感器一起使用。還建議了精密基準(zhǔn)電阻和基準(zhǔn)裕量電阻的合適值。請(qǐng)注意，該工具可確保ADC在規(guī)格范圍內(nèi)使用——它顯示支持配置的可能增益。AD7124激勵(lì)電流符合輸出標(biāo)準(zhǔn);也就是說，提供激勵(lì)電流的引腳上的電壓需要AVDD的一些裕量。該工具還將確保滿足此合規(guī)性規(guī)范。

RTD工具允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員保證系統(tǒng)在ADC和RTD傳感器的工作限值范圍內(nèi)。基準(zhǔn)電阻等外部元件的精度及其對(duì)系統(tǒng)誤差的貢獻(xiàn)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，建議將抗混疊濾波器與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器配合使用。由于嵌入式濾波器是數(shù)字濾波器，因此頻率響應(yīng)反映在采樣頻率周圍。需要抗混疊濾波來充分衰減調(diào)制器頻率和該頻率的任何倍數(shù)下的任何干擾。由于Σ-Δ轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬輸入進(jìn)行過采樣，因此抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的單極點(diǎn)RC濾波器。

當(dāng)最終系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，處理來自系統(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、過程控制或電源控制等應(yīng)用領(lǐng)域，其中需要容忍噪聲，同時(shí)不對(duì)相鄰組件產(chǎn)生噪音。噪聲、瞬變或其他干擾源會(huì)影響系統(tǒng)精度和分辨率。當(dāng)系統(tǒng)由主電源供電時(shí)，也可能發(fā)生干擾。主電源頻率在歐洲以 50 Hz 及其倍數(shù)產(chǎn)生，在美國以 60 Hz 及其倍數(shù)產(chǎn)生。因此，在設(shè)計(jì)RTD系統(tǒng)時(shí)，必須考慮具有50 Hz/60 Hz抑制的濾波電路。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)抑制50 Hz和60 Hz的通用系統(tǒng)。

大多數(shù)低帶寬ADC，包括AD7124-4/AD7124-8，都提供各種數(shù)字濾波選項(xiàng)，可通過編程將陷波設(shè)置為50 Hz/60 Hz。所選濾波器選項(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。當(dāng)啟用多個(gè)通道時(shí)，每次切換通道時(shí)都需要一個(gè)建立時(shí)間以生成轉(zhuǎn)換;因此，選擇建立時(shí)間較長(zhǎng)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濾波器可用于在較短的建立時(shí)間內(nèi)提供合理的50 Hz/60 Hz同步抑制，從而提高吞吐速率。

功耗考慮

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包含三種功耗模式，可在性能、速度和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于任何便攜式或遠(yuǎn)程應(yīng)用，都必須使用低功耗組件和配置，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，因此最大電流預(yù)算僅為4 mA。對(duì)于此類應(yīng)用，器件可以編程為中功耗或低功耗模式。速度要低得多，但ADC仍然提供高性能。如果應(yīng)用是過程控制，由主電源供電，則允許更高的電流消耗，因此可以將器件編程為全功率模式，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，下一步是估計(jì)與ADC相關(guān)的誤差和系統(tǒng)誤差。這有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解前端和ADC配置是否滿足整體目標(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。例如，圖 9 顯示了所有錯(cuò)誤的摘要。系統(tǒng)誤差餅圖表明，外部基準(zhǔn)電阻的初始精度及其溫度系數(shù)是影響整體系統(tǒng)誤差的主要誤差因素。因此，考慮使用精度更高、溫度系數(shù)更好的外部基準(zhǔn)電阻非常重要。

ADC引起的誤差并不是導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)誤差的最重要誤差因素。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)，從而將系統(tǒng)失調(diào)和增益誤差降至最低，但這可能會(huì)增加額外的成本，并且大多數(shù)應(yīng)用可能不需要。

故障檢測(cè)

對(duì)于任何惡劣環(huán)境或安全優(yōu)先的應(yīng)用，診斷正在成為行業(yè)要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式診斷功能減少了實(shí)現(xiàn)診斷所需的外部元件，從而成為更小、更省時(shí)、更省錢的解決方案。診斷包括

檢查模擬引腳上的電壓電平，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）顯示安全故障分?jǐn)?shù)（SFF）大于90%。

RTD 系統(tǒng)評(píng)估

圖10顯示了注釋CN0383中的一些測(cè)量數(shù)據(jù)。該測(cè)量數(shù)據(jù)使用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)算出相應(yīng)的攝氏度值。結(jié)果表明，2線RTD方案給出的誤差接近誤差邊界的下限，而3線或4線RTD方案的總誤差完全在允許的限值內(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。

圖9.RTD 誤差源計(jì)算器。

這些示例表明，當(dāng)與ADI公司的低帶寬Σ-Δ型ADC（如AD7124-4/AD7124-8）配合使用時(shí)，遵循上述RTD指南將實(shí)現(xiàn)高精度、高性能設(shè)計(jì)。電路筆記（CN0383）還將作為參考設(shè)計(jì)，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。該評(píng)估板允許用戶評(píng)估系統(tǒng)性能，其中可以使用每個(gè)示例配置演示模式。展望未來，可以使用AD7124-4/AD7124-8產(chǎn)品頁面中提供的ADI生成的示例代碼輕松開發(fā)不同RTD配置的固件。

ADC采用Σ-Δ架構(gòu)，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抑制以及模擬和基準(zhǔn)輸入上的寬共模范圍等問題。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)的功能，如校準(zhǔn)功能和嵌入式診斷。這種集成水平以及完整的系統(tǒng)宣傳資料或生態(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)人員的旅程，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CN0383可用于解決不同的挑戰(zhàn)，例如連接問題和整體誤差預(yù)算，并將用戶的設(shè)計(jì)提升到一個(gè)新的水平。

結(jié)論

本文演示了設(shè)計(jì)RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的多步驟過程。它需要根據(jù)不同的傳感器配置、ADC選擇和優(yōu)化以及這些決策如何影響整體系統(tǒng)性能做出選擇。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CN0383通過解決連接和總體誤差預(yù)算問題來簡(jiǎn)化流程。

圖 10.低功耗模式下的 2/3/4 線 RTD 溫度精度測(cè)量后置濾波器，25 SPS。

審核編輯：郭婷