RTC溫度測(cè)量系統(tǒng)的ADC要求

作者：Mary McCarthy and Aine McCarthy

有幾種類型的溫度傳感器可用于溫度系統(tǒng)。使用的溫度傳感器取決于被測(cè)溫度范圍和所需的精度。與傳感器一樣，溫度系統(tǒng)的精度取決于傳感器所連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的性能。在許多情況下，由于來自傳感器的信號(hào)幅度非常小，因此需要高分辨率ADC。Σ-Δ型ADC是高分辨率器件，因此適用于這些系統(tǒng)。它們還嵌入了片內(nèi)附加電路，這是激勵(lì)電流和基準(zhǔn)電壓緩沖器等溫度系統(tǒng)所必需的。本文介紹常用的3線和4線電阻溫度檢測(cè)器（RTD）。它描述了將傳感器連接到ADC所需的電路，并解釋了ADC所需的性能要求。

即時(shí)熱飲器

RTD 可用于測(cè)量 –200°C 至 +800°C 范圍內(nèi)的溫度，這些器件在此溫度范圍內(nèi)具有近乎線性的響應(yīng)。用于RTD的典型元素是鎳，銅和鉑，其中100 Ω和1000 Ω鉑RTD是最常見的。RTD 由 2 線、3 線或 4 線版本組成，其中最常用的是 3 線和 4 線版本。這些是無源傳感器，需要激勵(lì)電流來產(chǎn)生輸出電壓。這種RTD的輸出電壓電平從幾十毫伏到幾百毫伏不等，具體取決于所選擇的RTD。

3線RTD接口和構(gòu)建模塊

圖1所示為3線RTD系統(tǒng)。AD7124-4/AD7124-8包括系統(tǒng)所需的所有構(gòu)建模塊。為了充分優(yōu)化該系統(tǒng)，需要兩個(gè)相同匹配的電流源。這兩個(gè)電流源用于抵消RTD的RL1和RL2產(chǎn)生的引線電阻誤差。一個(gè)激勵(lì)電流流過兩個(gè)精密基準(zhǔn)電阻 R裁判和 RTD。第二個(gè)電流流過引線電阻RL2并產(chǎn)生一個(gè)電壓，以抵消RL1兩端的壓降。精密基準(zhǔn)電阻兩端產(chǎn)生的電壓用作ADC的基準(zhǔn)電壓REFIN1（±）。由于使用一個(gè)激勵(lì)電流來產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓和RTD兩端的電壓，因此電流源精度、失配和失配漂移對(duì)整個(gè)ADC傳遞函數(shù)的影響最小。AD7124-4/AD7124-8提供激勵(lì)電流值選擇，允許用戶調(diào)整系統(tǒng)，以便使用大部分ADC輸入范圍，從而提高性能。

圖1.3線RTD溫度系統(tǒng)。

RTD的低電平輸出電壓需要放大，以便使用ADC的大部分輸入范圍。AD7124-4/AD7124-8的PGA可在1至128的增益范圍內(nèi)進(jìn)行編程，允許客戶在激勵(lì)電流值與增益和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。傳感器和ADC之間需要進(jìn)行濾波，以實(shí)現(xiàn)抗混疊和EMC目的。參考緩沖器允許濾波器的R和C分量具有無限的值;例如，這些組件不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)中還需要校準(zhǔn)以消除增益和失調(diào)誤差。圖2顯示了該3線B類RTD在內(nèi)部零電平和滿量程校準(zhǔn)后測(cè)得的溫度誤差，總誤差遠(yuǎn)小于±1°C。

圖2.3線RTD溫度系統(tǒng)。

在RTD的高端設(shè)置精密基準(zhǔn)電阻器適用于使用單個(gè)RTD的系統(tǒng)。當(dāng)需要多個(gè)RTD時(shí)，精密電阻應(yīng)放置在低端，使基準(zhǔn)電阻在所有RTD傳感器之間共享。對(duì)于這種實(shí)現(xiàn)，需要更好的激勵(lì)電流匹配和匹配漂移。為了盡量減少由于激勵(lì)電流源不匹配引起的誤差，可以使用兩種不同的技術(shù)：

使用AD7124-4/AD7124-8的交叉多路復(fù)用器功能、精密基準(zhǔn)電阻和ADC的內(nèi)部低漂移基準(zhǔn)電壓源測(cè)量?jī)蓚€(gè)單獨(dú)的電流。

執(zhí)行系統(tǒng)斬波，其中電流交換到RTD的不同側(cè)，并將兩個(gè)結(jié)果的平均值用于溫度的整體計(jì)算。

4線RTD接口和構(gòu)建模塊

4線RTD測(cè)量只需要一個(gè)激勵(lì)電流源。圖3所示為4線RTD系統(tǒng)。與3線RTD系統(tǒng)一樣，使用的基準(zhǔn)輸入為REFIN1（±），基準(zhǔn)電壓緩沖器使能以允許無限制的抗混疊或EMC濾波。流過RTD的電流也流過精密基準(zhǔn)電阻R。裁判，用于生成 ADC 的基準(zhǔn)電壓。這種配置導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓與RTD兩端產(chǎn)生的電壓之間的比率測(cè)量。比率式配置可確保激勵(lì)電流值的變化不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)精度。圖4顯示了4線B類RTD在內(nèi)部零電平和滿量程校準(zhǔn)后測(cè)得的RTD溫度誤差。與3線配置類似，記錄的總誤差遠(yuǎn)小于±1°C。

圖3.4線RTD溫度系統(tǒng)。

圖4.4線RTD溫度系統(tǒng)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器要求

對(duì)于溫度系統(tǒng)，測(cè)量主要是低速（通常每秒最多 100 個(gè)樣本）。因此，需要低帶寬ADC，但ADC必須具有高分辨率。Σ-Δ型ADC適用于這些應(yīng)用，因?yàn)榭梢允褂忙?Δ架構(gòu)開發(fā)低帶寬、高分辨率ADC。

使用Σ-Δ轉(zhuǎn)換器時(shí)，模擬輸入連續(xù)采樣，采樣頻率遠(yuǎn)高于目標(biāo)頻帶。它們還使用噪聲整形，將噪聲從目標(biāo)頻段推到轉(zhuǎn)換過程未使用的區(qū)域，從而進(jìn)一步降低目標(biāo)頻段中的噪聲。數(shù)字濾波器衰減目標(biāo)頻帶外的任何信號(hào)。

數(shù)字濾波器具有采樣頻率和采樣頻率倍數(shù)的圖像。因此，需要一些外部抗混疊濾波器。然而，由于過采樣，一個(gè)簡(jiǎn)單的一階RC濾波器足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。Σ-Δ架構(gòu)允許開發(fā)峰峰值分辨率高達(dá)21.7位（21.7個(gè)穩(wěn)定或無閃爍位）的24位ADC。

濾波（50 Hz/60 Hz 抑制）

除了如前所述抑制噪聲外，數(shù)字濾波器還可用于提供50 Hz/60 Hz抑制。當(dāng)系統(tǒng)由主電源運(yùn)行時(shí)，干擾發(fā)生在 50 Hz 或 60 Hz 時(shí)。在歐洲有 50 Hz 及其倍數(shù)的電源生成頻率，在美國(guó)有 60 Hz 及其倍數(shù)的電源生成頻率。低帶寬ADC主要使用sinc濾波器，可通過編程將陷波設(shè)置為50 Hz和/或60 Hz以及50 Hz和60 Hz的倍數(shù)，從而提供50 Hz/60 Hz及其倍數(shù)的抑制。使用建立時(shí)間短的濾波方法提供50 Hz/60 Hz抑制的需求越來越高。在多通道系統(tǒng)中，ADC通過所有使能通道進(jìn)行時(shí)序控制，在每個(gè)通道上生成轉(zhuǎn)換。選擇通道時(shí)，需要濾波器建立時(shí)間才能生成有效的轉(zhuǎn)換。如果建立時(shí)間縮短，則在給定時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)會(huì)增加。AD7124-4/AD7124-8內(nèi)置后置濾波器或FIR濾波器，與sinc3或sinc4濾波器相比，可在更短的建立時(shí)間內(nèi)提供50 Hz/60 Hz同步抑制。圖5顯示了一個(gè)數(shù)字濾波器選項(xiàng)，該后置濾波器的建立時(shí)間為41.53 ms，同時(shí)提供62 dB的50 Hz/60 Hz抑制。

圖5.頻率響應(yīng)，后置濾波器，25 sps a） 直流至 600 Hz，b） 40 Hz 至 70 Hz。

其他模數(shù)轉(zhuǎn)換器要求

權(quán)力

系統(tǒng)中消耗的電流取決于最終應(yīng)用。在一些工業(yè)應(yīng)用中，例如工廠的溫度監(jiān)控，包含傳感器、ADC和微控制器的完整溫度系統(tǒng)包含在一個(gè)獨(dú)立板上，該板由4 mA至20 mA環(huán)路供電。因此，獨(dú)立板的當(dāng)前預(yù)算最大為4 mA。在便攜式設(shè)備中，例如用于分析礦井中存在的氣體的氣體分析儀，溫度必須與氣體分析一起測(cè)量。這些系統(tǒng)由電池操作，目的是最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命。在這些應(yīng)用中，低功耗是必不可少的，但仍需要高性能。在過程控制應(yīng)用中，系統(tǒng)可以允許更大的電流。對(duì)于這種類型的應(yīng)用，要求可能是在一定時(shí)間內(nèi)通過更高的通道數(shù)進(jìn)行排序，同時(shí)仍能達(dá)到一定的性能水平。AD7124-4/AD7124-8包含三種電源模式，用戶可通過其中一個(gè)寄存器中的2位進(jìn)行選擇。選擇的電源模式?jīng)Q定了輸出數(shù)據(jù)速率的范圍以及片內(nèi)模擬模塊消耗的電流。因此，該器件可在中功率或低功耗模式下工作，適用于環(huán)路供電或電池供電系統(tǒng)。在過程控制系統(tǒng)中，該器件可以在全功率模式下運(yùn)行，此時(shí)更高的電流消耗可提高性能。

診斷

診斷在工業(yè)應(yīng)用中變得越來越重要。典型的診斷要求是

電源/基準(zhǔn)電壓/模擬輸入監(jiān)控

開路檢測(cè)

轉(zhuǎn)換/校準(zhǔn)檢查

信號(hào)鏈功能檢查

讀/寫監(jiān)控

注冊(cè)內(nèi)容監(jiān)控

對(duì)于專為故障安全應(yīng)用而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，片上診斷可為客戶節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、外部元件、電路板空間和成本。AD7124-4/AD7124-8等器件包含上述診斷功能。根據(jù)IEC 61508，使用該器件的典型溫度應(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%。通常需要兩個(gè)傳統(tǒng)的ADC來提供這種級(jí)別的覆蓋范圍。

結(jié)論

溫度測(cè)量系統(tǒng)的ADC和系統(tǒng)要求非常嚴(yán)格。這些傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)很小，必須由噪聲較低的增益級(jí)放大，以確保增益級(jí)的噪聲不會(huì)淹沒來自傳感器的信號(hào)。在放大器之后，需要一個(gè)高分辨率ADC，以便將來自傳感器的低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。采用Σ-Δ架構(gòu)的ADC適用于此類應(yīng)用，因?yàn)榭梢允褂眠@些架構(gòu)開發(fā)高分辨率、高精度ADC。除了ADC和增益級(jí)外，溫度系統(tǒng)還需要激勵(lì)電流和基準(zhǔn)電壓緩沖器等其他元件。最后，最終應(yīng)用程序決定了系統(tǒng)允許的當(dāng)前預(yù)算。便攜式或環(huán)路供電系統(tǒng)必須使用低功耗組件，并且由于故障安全系統(tǒng)包含冗余，這進(jìn)一步降低了每個(gè)組件的電流消耗余量。對(duì)于輸入模塊等系統(tǒng)，希望在更高的吞吐量下獲得一定水平的性能，從而提高通道密度。使用具有多種電源模式的器件可減輕用戶在一個(gè)ADC中的負(fù)擔(dān)，該ADC可以設(shè)計(jì)到多個(gè)終端系統(tǒng)中，從而縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

審核編輯：郭婷